RU2683059C1 - Method of extraction and use of geothermal heat for cooling soils around subway tunnels - Google Patents

Method of extraction and use of geothermal heat for cooling soils around subway tunnels Download PDF

Info

Publication number
RU2683059C1
RU2683059C1 RU2018118981A RU2018118981A RU2683059C1 RU 2683059 C1 RU2683059 C1 RU 2683059C1 RU 2018118981 A RU2018118981 A RU 2018118981A RU 2018118981 A RU2018118981 A RU 2018118981A RU 2683059 C1 RU2683059 C1 RU 2683059C1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
heat
refrigerant
temperature
coolant
tunnels
Prior art date
Application number
RU2018118981A
Other languages
Russian (ru)
Inventor
Глеб Иванович Ажнов
Арсений Валерьевич Данилян
Андрей Александрович Кузнецов
Алексей Анатольевич Синцов
Ирина Генриховна Юрасова
Original Assignee
Глеб Иванович Ажнов
Арсений Валерьевич Данилян
Андрей Александрович Кузнецов
Алексей Анатольевич Синцов
Ирина Генриховна Юрасова
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Глеб Иванович Ажнов, Арсений Валерьевич Данилян, Андрей Александрович Кузнецов, Алексей Анатольевич Синцов, Ирина Генриховна Юрасова filed Critical Глеб Иванович Ажнов
Priority to RU2018118981A priority Critical patent/RU2683059C1/en
Application granted granted Critical
Publication of RU2683059C1 publication Critical patent/RU2683059C1/en

Links

Images

Classifications

    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F24HEATING; RANGES; VENTILATING
    • F24TGEOTHERMAL COLLECTORS; GEOTHERMAL SYSTEMS
    • F24T10/00Geothermal collectors
    • F24T10/10Geothermal collectors with circulation of working fluids through underground channels, the working fluids not coming into direct contact with the ground
    • F24T10/13Geothermal collectors with circulation of working fluids through underground channels, the working fluids not coming into direct contact with the ground using tube assemblies suitable for insertion into boreholes in the ground, e.g. geothermal probes
    • F24T10/15Geothermal collectors with circulation of working fluids through underground channels, the working fluids not coming into direct contact with the ground using tube assemblies suitable for insertion into boreholes in the ground, e.g. geothermal probes using bent tubes; using tubes assembled with connectors or with return headers
    • YGENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02EREDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E10/00Energy generation through renewable energy sources
    • Y02E10/10Geothermal energy

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • General Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • Sustainable Development (AREA)
  • Sustainable Energy (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Combustion & Propulsion (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • General Engineering & Computer Science (AREA)
  • Excavating Of Shafts Or Tunnels (AREA)
  • Investigation Of Foundation Soil And Reinforcement Of Foundation Soil By Compacting Or Drainage (AREA)

Abstract

FIELD: technological processes.SUBSTANCE: invention relates to methods of using the extracted geothermal heat to cool the soil around the subway tunnels and transform it to heat water in a hot water system. Geothermal heat is extracted from the soils surrounding the subway tunnels with a ground-based low-temperature heat exchanger buried in the ground, which is a set of plug-in circuits made of 32–40 mm diameter polyethylene pipes without butt joints. Contours are laid flat spiral-helical coils at a depth of 2–4 m from the earth's surface below the depth of freezing over the arches of the underground tunnels with a pitch of 0.7–0.8 m, the diameter of the coils is 800–1,000 mm. Number of contours is determined by calculation. Length of the connected circuits made the same 100–120 m. Heat recovered is accumulated in the coolant, which is an ice-free thirty-percent propylene glycol aqueous solution pumped into the pipe under a pressure of 4 atm, circulating at a speed of at least 0.3 m/s over a closed external circuit. Coolant enters the collecting manifolds, from where it is pumped to the heat pump, which transfers heat from the coolant to the water flowing through the pipe from the water supply system and heats it for use by consumers in the hot water system.EFFECT: lowering the temperature of the ground around the underground tunnels, increasing heat transfer through the tunnel walls, using the extracted heat for the needs of hot water supply systems.1 cl, 2 dwg

Description

1. Область техники1. The technical field

Изобретение относится к способам использования извлеченного геотермального тепла для охлаждения грунтов вокруг тоннелей метрополитена и трансформирование его для нагрева воды в системе горячего водоснабжения бытовых помещений метрополитена с помощью теплового насоса.The invention relates to methods for using the extracted geothermal heat to cool the soils around the subway tunnels and transforming it to heat water in the hot water supply system of the underground metro premises using a heat pump.

2. Предшествующий уровень техники2. The prior art

Известен СПОСОБ ИЗВЛЕЧЕНИЯ ГЕОТЕРМАЛЬНОГО ТЕПЛА [1] при помощи циркулирующего в замкнутом контуре теплоносителя, нагреваемого в скважине с температурным градиентом, и охлаждаемым при помощи теплового насоса.Known METHOD FOR REMOVING GEOTHERMAL HEAT [1] using a heat carrier circulating in a closed circuit, heated in a well with a temperature gradient, and cooled using a heat pump.

Библиографические данные [1]: СПОСОБ ИЗВЛЕЧЕНИЯ ГЕОТЕРМАЛЬНОГО ТЕПЛА [Текст]: пат. 2288413 Рос. Федерация: F24J 3/08(2006.01) / Стоянов Николай Иванович (RU), Гейвандов Иоган Арестагесович (RU), Воронин Александр Ильич (RU); заявитель и патентообладатель: Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Северо-Кавказский государственный технический университет" (RU); - №2005113114; заявл. 29.04.2005; 27.11.2006 Бюл. №33.Bibliographic data [1]: METHOD FOR REMOVING GEOTHERMAL HEAT [Text]: pat. 2288413 ROS. Federation: F24J 3/08 (2006.01) / Nikolay Ivanovich Stoyanov (RU), Johann Arestagesovich Geyvandov (RU), Alexander Ilyich Voronin (RU); applicant and patent holder: State educational institution of higher professional education "North Caucasian State Technical University" (RU); - No. 2005113114; declared 04/29/2005; 11/27/2006 Bull. No. 33.

Использование специальных скважин глубиной до 300 м и диаметром 150 мм для расположения зондов тепловых насосов не представляется возможным при строительстве и эксплуатации метрополитена.The use of special wells with a depth of 300 m and a diameter of 150 mm for the location of the heat pump probes is not possible during the construction and operation of the subway.

Наиболее близким решением по технической сущности и совокупности технических признаков является СПОСОБ КОМПЛЕКСНОГО ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ГЕОТЕРМАЛЬНОГО ТЕПЛА С ПОМОЩЬЮ ПАРОЭЖЕКТОРНОГО ТЕПЛОВОГО НАСОСА [2], включающего подачу охлажденного теплоносителя в скважину, после чего нагретый теплоноситель передает тепло потребителю при помощи теплового насоса, работающего на паре хладагента - низкокипящего теплоносителя.The closest solution to the technical nature and the totality of technical features is the METHOD FOR COMPLETE USE OF THE GEOTHERMAL HEAT USING THE STEAM EJECTIVE HEAT PUMP [2], which includes supplying the cooled heat carrier to the well, after which the heated heat carrier transfers heat to the consumer using a heat pump using a heat pump coolant.

Библиографические данные [2]: СПОСОБ КОМПЛЕКСНОГО ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ГЕОТЕРМАЛЬНОГО ТЕПЛА С ПОМОЩЬЮ ПАРОЭЖЕКТОРНОГО ТЕПЛОВОГО НАСОСА [Текст]: пат. 2528213 Рос. Федерация: F24J 3/08(2006.01) / Стоянов Николай Иванович (RU), Воронин Александр Ильич (RU), Гейвандов Иоганн Арестагесович (RU), Смирнов Станислав Сергеевич (RU); заявитель и патентообладатель: Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Северо-Кавказский федеральный университет" (RU); - №2011140370; заявл. 04.10.2011; 10.09.2014, Бюл. №25.Bibliographic data [2]: METHOD FOR COMPREHENSIVE USE OF GEOTHERMAL HEAT USING A VEHICLE HEAT PUMP [Text]: US Pat. 2528213 Ros. Federation: F24J 3/08 (2006.01) / Stoyanov Nikolay Ivanovich (RU), Voronin Alexander Ilyich (RU), Geyvandov Johann Arestagesovich (RU), Smirnov Stanislav Sergeevich (RU); applicant and patent holder: North-Caucasian Federal University (RU) Federal State Autonomous Educational Institution of Higher Professional Education; - No. 20111140370; declared 10/04/2011; 09/10/2014, Bull. Number 25.

Техническое решение не предназначено для исключения перегрева тоннелей метрополитена в процессе эксплуатации, нагретая вода из скважины используется в генераторе абсорбционного теплового насоса для работы непосредственно теплового насоса, а затем - для догрева водопроводной воды в системе ГВС, предварительно нагретой в абсорбере. Кроме того, использование абсорбционного (диффузионного) теплового насоса по сравнению с компрессионным менее эффективно, так как коэффициент преобразования у него ниже из-за больших потерь в элементах абсорбционного контура. Сложность конструкции самого агрегата и высокая коррозионная нагрузка требуют применения дорогих и труднообрабатываемых коррозионно-стойких материалов.The technical solution is not intended to prevent overheating of the subway tunnels during operation, heated water from the well is used in the generator of the absorption heat pump to operate the heat pump directly, and then to reheat the tap water in the DHW system preheated in the absorber. In addition, the use of an absorption (diffusion) heat pump is less effective than a compression one, since its conversion coefficient is lower due to large losses in the elements of the absorption circuit. The complexity of the design of the unit itself and the high corrosion load require the use of expensive and difficult to handle corrosion-resistant materials.

3. Раскрытие сущности изобретения3. Disclosure of the invention

3.1. Результат решения технической задачи3.1. The result of solving a technical problem

Давно известно, что грунт является наиболее универсальным источником рассеянного тепла. Он аккумулирует солнечную энергию и часть избыточного тепла, выделяющегося в тоннелях. При этом, он способен отдавать тепло вне зависимости от погоды. Ведь на глубине уже 5-7 м температура практически постоянна в течение всего года. Для средней полосы России она составляет 5-8°С. Средняя расчетная температура грунтов вокруг тоннелей метро составляет 9-12°С. Это очень подходящие условия для работы теплового насоса.It has long been known that soil is the most versatile source of dissipated heat. It accumulates solar energy and part of the excess heat generated in the tunnels. At the same time, it is able to give off heat, regardless of the weather. Indeed, at a depth of already 5-7 m, the temperature is almost constant throughout the year. For central Russia, it is 5-8 ° C. The average estimated temperature of the soil around the subway tunnels is 9-12 ° C. These are very suitable conditions for the operation of a heat pump.

В теплый период года температура приточного воздуха часто превышает расчетные значения и в подземные сооружения поступает с воздухом дополнительное тепло, усиливающее тепловую нагрузку на грунт, что не позволяет прямоточным вентиляционным системам осуществлять ассимиляцию тепла в необходимом количестве и обеспечивать нормативный тепловлажностный режим (ТВР) (температура от 18 до 28°С относительная влажность 15-75% согласно СП 120.13330.2012 «Метрополитены» и СП 2.5.1337-03 «Санитарные правила эксплуатации метрополитенов»).In the warm season, the supply air temperature often exceeds the calculated values and additional heat enters the underground structures with the air, which increases the heat load on the soil, which does not allow direct-flow ventilation systems to assimilate the heat in the required amount and provide the normative heat and humidity mode (TVR) (temperature from 18 to 28 ° C, relative humidity 15-75% according to SP 120.13330.2012 “Metro” and SP 2.5.1337-03 “Sanitary rules for the operation of subways”).

Влияние тепла наружного воздуха и солнечной радиации отмечается в поверхностном слое грунта на глубине до 15 м. Кроме этого, грунты нагреваются за счет тепла от абсолютных источников в тоннелях метрополитена.The influence of heat from outside air and solar radiation is observed in the surface soil layer to a depth of 15 m. In addition, soils are heated by heat from absolute sources in subway tunnels.

За период эксплуатации 10-15 лет температура грунтов вокруг тоннелей метрополитена повышается по статистическим данным на 2-3°С, что приводит в повышению температуры воздуха, поступающего из тоннелей в платформенный зал станции.Over a period of 10-15 years, the temperature of soils around the subway tunnels rises according to statistics by 2-3 ° C, which leads to an increase in the temperature of the air coming from the tunnels to the station platform platform.

Техническая задача - увеличение теплоаккумулирующей способности грунтов с целью исключения перегрева тоннелей в процессе эксплуатации для поддержания нормируемых метеорологических условий на станциях за счет использования естественных дешевых низкотемпературных источников.The technical task is to increase the heat storage capacity of soils in order to avoid overheating of the tunnels during operation in order to maintain normalized meteorological conditions at the stations through the use of naturally cheap low-temperature sources.

Технический результат - понижение температуры грунтов вокруг тоннелей метрополитена у станции, увеличение теплопередачи через стенки тоннеля, использование извлеченного тепла для нужд систем ГВС.EFFECT: lowering the temperature of soils around the subway tunnels at the station, increasing heat transfer through the walls of the tunnel, using extracted heat for the needs of domestic hot water systems.

Решение технической задачи и технический результат достигаются за счет того, что извлекают геотермальное тепло из грунтов, окружающих тоннели метрополитена, грунтовым низкотемпературным теплообменником заглубленным в землю, представляющим собой комплект подключаемых контуров, выполненных из полиэтиленовых труб диаметром 32-40 мм без стыковых соединений. Контуры укладывают плоскими спирально-винтовыми витками на глубине 2-4 м от поверхности земли ниже глубины промерзания огибая своды тоннелей метрополитена с шагом 0,7 -0,8 м, диаметр витков 800-1000 мм. Количество контуров определено расчетом. Длина подключаемых контуров выполнена одинаковой 100-120 м. Аккумулируют извлеченное тепло в теплоносителе, представляющим собой незамерзающий тридцатипроцентный водный раствор пропиленгликоля, закачанный в трубу под давлением 4 атм, циркулирующий со скоростью не менее 0,3 м/с по замкнутому внешнему контуру. Из контуров теплоноситель попадает в сборные коллекторы, откуда его насосом подают в испаритель теплового насоса. В испарителе теплоноситель отдает тепло хладагенту, циркулирующему во внутреннем контуре теплового насоса, где хладагент закипает и переходит в газообразное состояние, после чего хладагент подают в компрессор, который сжимает его до высокого давления, что еще более повышает его температуру. Горячий газообразный хладагент подают в конденсатор, в котором тепло хладагента передают воде, поступающей по трубе из водопровода, и нагревает ее для использования потребителями в системе горячего водоснабжения. Суточную неравномерность потребления воды на горячее водоснабжение выравнивают с помощью баков - аккумуляторов. Остывая, хладагент, циркулирующий во внутреннем контуре теплового насоса, переходит в жидкое состояние, проходит через редукционный клапан теряя давление, откуда его подают в испаритель. Затем охлажденный теплоноситель по внешнему контуру насосом возвращают обратно за новой порцией тепла, понижая температуру грунтов вокруг тоннелей метрополитена у станции.The solution of the technical problem and the technical result are achieved due to the fact that geothermal heat is extracted from the soils surrounding the subway tunnels, with a ground low-temperature heat exchanger buried in the ground, which is a set of connected circuits made of polyethylene pipes with a diameter of 32-40 mm without butt joints. The contours are laid with flat spiral-helical turns at a depth of 2-4 m from the surface of the earth below the freezing depth around the arches of the subway tunnels in increments of 0.7-0.8 m, the diameter of the turns is 800-1000 mm. The number of circuits is determined by calculation. The length of the connected circuits is the same 100-120 m.The accumulated heat is accumulated in a coolant, which is a non-freezing thirty percent aqueous propylene glycol solution, pumped into the pipe under a pressure of 4 atm, circulating at a speed of at least 0.3 m / s in a closed external circuit. From the circuits, the coolant enters the prefabricated collectors, from where it is pumped to the heat pump evaporator. In the evaporator, the coolant transfers heat to the refrigerant circulating in the internal circuit of the heat pump, where the refrigerant boils and passes into a gaseous state, after which the refrigerant is supplied to the compressor, which compresses it to high pressure, which further increases its temperature. Hot gaseous refrigerant is supplied to the condenser, in which heat of the refrigerant is transferred to the water entering the pipe from the water supply, and heats it for use by consumers in the hot water supply system. The daily unevenness of water consumption for hot water supply is leveled with the help of storage tanks. When cooling, the refrigerant circulating in the internal circuit of the heat pump goes into a liquid state, passes through a pressure reducing valve, losing pressure, from where it is supplied to the evaporator. Then, the cooled coolant along the external circuit is returned to the pump for a new portion of heat, lowering the temperature of the soil around the subway tunnels at the station.

4. Краткое описание чертежей4. Brief Description of the Drawings

СПОСОБ ИЗВЛЕЧЕНИЯ И ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ГЕОТЕРМАЛЬНОГО ТЕПЛА ДЛЯ ОХЛАЖДЕНИЯ ГРУНТОВ ВОКРУГ ТОННЕЛЕЙ МЕТРОПОЛИТЕНА поясняется следующими чертежами:THE METHOD FOR REMOVING AND USING THE GEOTHERMAL HEAT FOR COOLING SOIL AROUND THE METRO TUNNELS is illustrated by the following drawings:

На фиг. 1 представлена принципиальная схема работы системы охлаждения грунтов вокруг тоннелей метрополитена (разрез),In FIG. 1 is a schematic diagram of the operation of a soil cooling system around subway tunnels (section),

На Фиг. 2 представлен план-схема работы системы охлаждения грунтов вокруг тоннелей метрополитена, гдеIn FIG. Figure 2 shows the plan of the operation of the soil cooling system around the subway tunnels, where

1 - тоннель метрополитена; 2 - поверхность земли; 3 - грунтовый низкотемпературный теплообменник; 4 - насос; 5 - испаритель; 6 - компрессор; 7 - дроссель; 8 - конденсатор; 9 - потребитель ГВС; 10 - тепловой насос; 11 - направление движения теплоносителя; 12 - ось тоннеля; 13 - станция; 14 - контур грунтового низкотемпературного теплообменника; 15 - сборный коллектор грунтового низкотемпературного теплообменника; 16 - внутренний контур хладагента теплового насоса; 17 - труба с водой, поступающей из сети водопровода.1 - subway tunnel; 2 - the surface of the earth; 3 - soil low-temperature heat exchanger; 4 - pump; 5 - evaporator; 6 - compressor; 7 - throttle; 8 - capacitor; 9 - DHW consumer; 10 - heat pump; 11 - the direction of movement of the coolant; 12 - axis of the tunnel; 13 - station; 14 - contour of the soil low-temperature heat exchanger; 15 - prefabricated collector soil low-temperature heat exchanger; 16 - internal circuit of the heat pump refrigerant; 17 - pipe with water coming from the water supply network.

5. Осуществление изобретения5. The implementation of the invention

Извлечение необходимой энергии из низкопотенциальных (холодных) источников - грунтов, окружающих тоннели метрополитена (1), осуществляется грунтовым низкотемпературным теплообменником (3), заглубленным в землю, огибающим конструкции тоннеля на глубине ниже уровня промерзания почвы.The necessary energy is extracted from low-potential (cold) sources - soils surrounding the subway tunnels (1), by an underground low-temperature heat exchanger (3), buried in the ground, enveloping the tunnel structure at a depth below the level of soil freezing.

Грунтовый низкотемпературный теплообменник (3) представляет собой комплект подключаемых контуров (14), выполненных из полиэтиленовых труб РЕ ПНД6 диаметром 32-40 мм без стыковых соединений, уложенных плоскими спирально-винтовыми витками на глубине 2-4 м от поверхности земли (2) ниже глубины промерзания над сводом тоннелей метрополитена (1) с шагом 0,7-0,8 м, диаметр витков 800-1000 мм. Количество контуров (14) определяется расчетом для конкретных тоннелей. Длина подключаемых контуров (14) должна быть примерно одинаковой для гидравлической увязки системы и составляет 100-120 м.The low-temperature ground heat exchanger (3) is a set of plug-in circuits (14) made of PE PND6 polyethylene pipes with a diameter of 32-40 mm without butt joints laid by flat spiral-screw coils at a depth of 2-4 m from the earth's surface (2) below the depth freezing over the arch of underground tunnels (1) in increments of 0.7-0.8 m, diameter of turns is 800-1000 mm. The number of circuits (14) is determined by calculation for specific tunnels. The length of the connected circuits (14) should be approximately the same for the hydraulic connection of the system and is 100-120 m.

Аккумулируют извлеченное тепло в теплоносителе. В качестве такого переносчика энергии используют незамерзающую экологически безвредную жидкость -тридцатипроцентный водный раствор пропиленгликоля, закачанную в трубу под давлением 4 атм., циркулирующий со скоростью не менее 0,3 м/с по замкнутому внешнему контуру. Из контуров (14) теплоноситель попадает в сборные коллекторы (15), откуда его насосом (4) подают в испаритель (5) теплового насоса (10).The extracted heat is accumulated in the heat carrier. As such an energy carrier, a non-freezing environmentally friendly liquid is used - a thirty percent aqueous propylene glycol solution, pumped into the pipe under a pressure of 4 atm., Circulating at a speed of at least 0.3 m / s in a closed external circuit. From the circuits (14), the coolant enters the prefabricated collectors (15), from where it is pumped (4) to the evaporator (5) of the heat pump (10).

В испарителе (5) теплоноситель отдает тепло хладагенту (озонобезопасному фреону R410A), циркулирующему во внутреннем контуре (16) теплового насоса (10), который закипает и переходит в газообразное состояние.In the evaporator (5), the coolant transfers heat to the refrigerant (ozone-safe freon R410A) circulating in the internal circuit (16) of the heat pump (10), which boils and passes into a gaseous state.

Хладагент после закипания подают в электрический компрессор (6), который сжимает его до высокого давления, что еще более повышает его температуру.After boiling, the refrigerant is supplied to an electric compressor (6), which compresses it to high pressure, which further increases its temperature.

Горячий газообразный хладагент подают в следующий теплообменник -конденсатор (8), в котором хладагент отдает тепло теплоносителю - воде, поступающей по трубе (17) из водопровода, и нагревает ее для использования потребителями (9) в системе ГВС. Суточную неравномерность потребления воды на горячее водоснабжение выравнивают с помощью баков - аккумуляторов.Hot gaseous refrigerant is supplied to the next heat exchanger-condenser (8), in which the refrigerant gives off heat to the heat carrier - water entering the pipe (17) from the water supply system and heats it for use by consumers (9) in the domestic hot water system. The daily unevenness of water consumption for hot water supply is leveled with the help of storage tanks.

Остывая, хладагент, циркулирующий во внутреннем контуре (16) теплового насоса (10), переходит в жидкое состояние, проходит через редукционный клапан, теряя давление, откуда его подают в испаритель.When cooling, the refrigerant circulating in the internal circuit (16) of the heat pump (10) goes into a liquid state, passes through a pressure reducing valve, losing pressure, from where it is supplied to the evaporator.

Охлажденный теплоноситель по внешнему контуру насосом возвращают обратно за новой порцией тепла, понижая температуру грунтов вокруг тоннелей метрополитена у станции.The cooled coolant along the external circuit is returned to the pump for a new portion of heat, lowering the temperature of the soil around the subway tunnels at the station.

6. Наилучший вариант осуществления изобретения6. Best Mode for Carrying Out the Invention

Для реализации способа выполняют укладку полиэтиленовых труб плоскими винтовыми спиралями.To implement the method, polyethylene pipes are laid with flat helical spirals.

Рабочая жидкость (30% водный раствор пропиленгликоля) циркулирует по внешнему замкнутому контуру через тепловой насос (10) компрессорного типа. Трансформируемая теплота используется для нагрева воды для системы горячего водоснабжения в бытовых помещениях метрополитена.The working fluid (30% aqueous propylene glycol solution) circulates through an external closed circuit through a heat pump (10) of the compressor type. Transformable heat is used to heat water for the hot water supply system in the residential premises of the subway.

Использование геотермального теплового насоса для охлаждения грунтов вокруг тоннелей метрополитена позволяет существенно уменьшить температуру воздуха, поступающего из тоннелей на платформу станции.Using a geothermal heat pump to cool the soil around the subway tunnels can significantly reduce the temperature of the air coming from the tunnels to the station platform.

Съем тепла с каждого метра погонного трубы зависит от многих параметров: глубины укладки, наличия грунтовых вод, качества грунта и т.д. Ориентировочно можно считать, что для горизонтальных коллекторов он составляет 20 Вт. м.п. Более точно: сухой песок - 10, сухая глина - 20, влажная глина - 25, глина с большим содержанием воды - 35 Вт. м.п. Разницу температуры теплоносителя в прямой и обратной линии петли при расчетах, принимают равной 3°С. На участке коллектора, относящегося к технической зоне метро, не возводятся строения, и источник энергии пополняется энергией за счет солнечной радиации и тепла от абсолютных источников в тоннелях метрополитена.Heat removal from each meter of linear pipe depends on many parameters: laying depth, groundwater availability, soil quality, etc. Tentatively, we can assume that for horizontal collectors it is 20 watts. m.p. More precisely: dry sand - 10, dry clay - 20, wet clay - 25, clay with a high water content - 35 watts. m.p. The difference in temperature of the coolant in the forward and reverse lines of the loop in the calculations, is taken equal to 3 ° C. No structures are being erected on the collector’s part of the metro technical zone, and the energy source is replenished with energy due to solar radiation and heat from absolute sources in the subway tunnels.

За первых нескольких лет эксплуатации система выходит на квазистационарный режим, когда температура грунтового массива вокруг теплообменника станет ниже первоначальной на 1-2°С. Системы теплоснабжения зданий, использующие низкопотенциальное тепло земли, представляют собой надежный источник энергии, который может использоваться в течение длительного времени.In the first few years of operation, the system enters a quasistationary mode when the temperature of the soil mass around the heat exchanger becomes 1-2 ° C lower than the initial one. Building heating systems using low-grade heat from the earth are a reliable source of energy that can be used for a long time.

Стоимость эксплуатации традиционных источников тепла - нагревателей, котлов, работающих на различных видах топлива и пр. с каждым годом возрастает, горячая вода становится все дороже. Экономическая выгода от использования тепловых насосов очевидна благодаря высокому КПД и достаточно дешевой эксплуатации.The cost of operating traditional heat sources - heaters, boilers operating on various types of fuel, etc. is increasing every year, hot water is becoming more expensive. The economic benefits of using heat pumps are evident due to their high efficiency and fairly cheap operation.

Наибольшую долю капитальных вложений составляет стоимость земляных работ. Строительство станций метрополитена ведется открытым способом, универсальность и простота монтажа в котловане являются достоинствами способа.The largest share of capital investment is the cost of excavation. The construction of metro stations is an open method, the versatility and ease of installation in the pit are the advantages of the method.

Поскольку контур для извлечения тепла является закрытым, то исключаются: загрязнение теплоносителя от грунтов; утечки теплоносителя в грунт; напор насоса используется только для преодоления гидравлических сопротивлений в системе, которые сравнимы с гидравлическими сопротивлениями в обычных тепловых сетях.Since the circuit for extracting heat is closed, the following are excluded: pollution of the coolant from the soil; coolant leaks into the ground; The pump head is used only to overcome the hydraulic resistance in the system, which is comparable to the hydraulic resistance in conventional heating networks.

Claims (1)

Способ извлечения и использования геотермального тепла для охлаждения грунтов вокруг тоннелей метрополитена включает подачу охлажденного теплоносителя в грунт с температурным градиентом, передачу нагретым теплоносителем тепла потребителю при помощи теплового насоса, работающего на паре хладагента - низкокипящего теплоносителя, отличающийся тем, что извлекают геотермальное тепло из грунтов, окружающих тоннели метрополитена, грунтовым низкотемпературным теплообменником, заглубленным в землю, представляющим собой комплект подключаемых контуров, выполненных из полиэтиленовых труб диаметром 32-40 мм без стыковых соединений, контуры укладывают плоскими спирально-винтовыми витками на глубине 2-4 м от поверхности земли ниже глубины промерзания над сводами тоннелей метрополитена с шагом 0,7-0,8 м, диаметр витков 800-1000 мм, количество контуров определено расчетом, длина подключаемых контуров выполнена одинаковой 100-120 м, аккумулируют извлеченное тепло в теплоносителе, представляющем собой незамерзающий тридцатипроцентный водный раствор пропиленгликоля, закачанный в трубу под давлением 4 атм, циркулирюущий со скоростью не менее 0,3 м/с по замкнутому внешнему контуру, теплоноситель попадает в сборные коллекторы, откуда его насосом подают в испаритель теплового насоса, в испарителе теплоноситель отдает тепло хладагенту, циркулирующему во внутреннем контуре теплового насоса, где хладагент закипает и переходит в газообразное состояние, после чего хладагент подают в компрессор, который сжимает его до высокого давления, что еще более повышает его температуру, горячий газообразный хладагент подают в конденсатор, в котором тепло хладагента передают воде, поступающей по трубе из водопровода, и нагревает ее для использования потребителями в системе горячего водоснабжения, суточную неравномерность потребления воды на горячее водоснабжение выравнивают с помощью баков-аккумуляторов, остывая, хладагент, циркулирующий во внутреннем контуре теплового насоса, переходит в жидкое состояние, проходит через редукционный клапан, теряя давление, откуда его подают в испаритель, затем охлажденный теплоноситель по внешнему контуру насосом возвращают обратно за новой порцией тепла, понижая температуру грунтов вокруг тоннелей метрополитена у станции.A method of extracting and using geothermal heat for cooling soils around subway tunnels includes supplying a cooled heat carrier to the soil with a temperature gradient, transferring heat to the consumer using a heat pump operating on a refrigerant pair — a low boiling heat carrier, characterized in that geothermal heat is extracted from the soil, the surrounding subway tunnels, with a low-temperature soil heat exchanger buried in the ground, which is a sub-set contours made of polyethylene pipes with a diameter of 32-40 mm without butt joints, the contours are laid with flat spiral-helical turns at a depth of 2-4 m from the surface of the earth below the freezing depth above the arches of the subway tunnels in increments of 0.7-0.8 m, the diameter of the turns is 800-1000 mm, the number of circuits is determined by calculation, the length of the connected circuits is the same 100-120 m, the extracted heat is accumulated in the coolant, which is a non-freezing thirty percent aqueous propylene glycol solution, pumped into the pipe under 4 atm pressure, circulating at a speed of at least 0.3 m / s in a closed external circuit, the coolant enters the prefabricated collectors, from where it is pumped to the heat pump evaporator, in the evaporator the heat transfer heat to the refrigerant circulating in the internal circuit of the heat pump, where the refrigerant boils and goes into a gaseous state, after which the refrigerant is supplied to the compressor, which compresses it to high pressure, which further increases its temperature, hot gaseous refrigerant is fed to the condenser, in The heat of the refrigerant is transferred to the water entering the pipe from the water supply pipe and heats it for use by consumers in the hot water supply system, the daily unevenness of water consumption for hot water supply is leveled with the help of storage tanks, cooling down, the refrigerant circulating in the internal circuit of the heat pump goes into liquid state, passes through a pressure reducing valve, losing pressure, from where it is supplied to the evaporator, then the cooled coolant along the external circuit is returned to the pump wail portion of the heat by lowering the temperature of soil around the station subway tunnels.
RU2018118981A 2018-05-23 2018-05-23 Method of extraction and use of geothermal heat for cooling soils around subway tunnels RU2683059C1 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2018118981A RU2683059C1 (en) 2018-05-23 2018-05-23 Method of extraction and use of geothermal heat for cooling soils around subway tunnels

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2018118981A RU2683059C1 (en) 2018-05-23 2018-05-23 Method of extraction and use of geothermal heat for cooling soils around subway tunnels

Publications (1)

Publication Number Publication Date
RU2683059C1 true RU2683059C1 (en) 2019-03-26

Family

ID=65858639

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2018118981A RU2683059C1 (en) 2018-05-23 2018-05-23 Method of extraction and use of geothermal heat for cooling soils around subway tunnels

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU2683059C1 (en)

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN115875849A (en) * 2022-11-29 2023-03-31 重庆交通大学 High-high heat utilization system in alpine region

Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2014080348A1 (en) * 2012-11-21 2014-05-30 Pedrollo S.P.A. Geothermal heat exchanger device
RU2528213C2 (en) * 2011-10-04 2014-09-10 Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Северо-Кавказский федеральный университет" Method of complex use of geothermal heat by means of steam ejector heat pump
WO2015044142A1 (en) * 2013-09-24 2015-04-02 Dynamic Blue Holding Gmbh Geothermal probe with mixing elements
EA026850B1 (en) * 2012-02-17 2017-05-31 Флексира С.Р.О. Heat exchanger for heat removal in a heating system or a heat supply system
EA027263B1 (en) * 2011-12-22 2017-07-31 Флексира С.Р.О. Heat supply method and heat supply system
RU2636018C2 (en) * 2016-02-12 2017-11-17 Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Российский государственный университет туризма и сервиса" (ФГБОУ ВО "РГУТИС") Heating and hot water supply system

Patent Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2528213C2 (en) * 2011-10-04 2014-09-10 Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Северо-Кавказский федеральный университет" Method of complex use of geothermal heat by means of steam ejector heat pump
EA027263B1 (en) * 2011-12-22 2017-07-31 Флексира С.Р.О. Heat supply method and heat supply system
EA026850B1 (en) * 2012-02-17 2017-05-31 Флексира С.Р.О. Heat exchanger for heat removal in a heating system or a heat supply system
WO2014080348A1 (en) * 2012-11-21 2014-05-30 Pedrollo S.P.A. Geothermal heat exchanger device
WO2015044142A1 (en) * 2013-09-24 2015-04-02 Dynamic Blue Holding Gmbh Geothermal probe with mixing elements
RU2636018C2 (en) * 2016-02-12 2017-11-17 Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Российский государственный университет туризма и сервиса" (ФГБОУ ВО "РГУТИС") Heating and hot water supply system

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN115875849A (en) * 2022-11-29 2023-03-31 重庆交通大学 High-high heat utilization system in alpine region
CN115875849B (en) * 2022-11-29 2024-04-26 重庆交通大学 High and middle ground heat utilization system in alpine region

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US6615601B1 (en) Sealed well direct expansion heating and cooling system
US7234314B1 (en) Geothermal heating and cooling system with solar heating
Self et al. Geothermal heat pump systems: Status review and comparison with other heating options
US8650875B2 (en) Direct exchange geothermal refrigerant power advanced generating system
US4277946A (en) Heat pump
US20130037236A1 (en) Geothermal facility with thermal recharging of the subsoil
JP5990652B2 (en) Operation method of fluid storage equipment
US20100064710A1 (en) Self contained water-to-water heat pump
CN202132648U (en) Pipeline heating system
US11549725B2 (en) System for storing and retrieving thermal energy
US20150163965A1 (en) System and method of managing cooling elements to provide high volumes of cooling
US8776867B2 (en) Modular, stackable, geothermal block heat exchange system with solar assist
CN106120854A (en) A kind of underground pipe gallery
RU2445554C1 (en) System of heat supply and hot water supply based on renewable energy sources
RU2683059C1 (en) Method of extraction and use of geothermal heat for cooling soils around subway tunnels
CN206222570U (en) Earth-source hot-pump system based on drainage and anti-float basis
US20080006046A1 (en) Self contained water-to-water heat pump
CN205119565U (en) Supplementary ground of road heat source source heat pump system
AU2013338643B2 (en) Termal energy storage comprising an expansion space
RU155180U1 (en) CONSTRUCTION FOR THERMOSTATING SOILS UNDER BUILDINGS AND CONSTRUCTIONS
CN203249347U (en) Low-temperature-difference waterpower radiation refrigeration system with shallow layer ground source as cold source
CN111648927A (en) In-situ heat-taking cogeneration system based on natural circulation principle
CN105040744A (en) Thermal insulation device of foundation under plateau frozen earth condition and construction method of thermal insulation device
Hwang et al. Transient modeling of seasonal borehole thermal energy storage system during heat energy storing process
Ibragimov et al. Experience using heat pumps as soil heat stabilization systems in a cryolithological zone.

Legal Events

Date Code Title Description
MM4A The patent is invalid due to non-payment of fees

Effective date: 20200524