RU2615678C2 - Near-surface soil heat use method - Google Patents

Near-surface soil heat use method Download PDF

Info

Publication number
RU2615678C2
RU2615678C2 RU2015140367A RU2015140367A RU2615678C2 RU 2615678 C2 RU2615678 C2 RU 2615678C2 RU 2015140367 A RU2015140367 A RU 2015140367A RU 2015140367 A RU2015140367 A RU 2015140367A RU 2615678 C2 RU2615678 C2 RU 2615678C2
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
heat
soil
solar radiation
carried out
heating
Prior art date
Application number
RU2015140367A
Other languages
Russian (ru)
Other versions
RU2015140367A (en
Inventor
Виктор Яковлевич Федянин
Валерий Ильич Котельников
Нурмухаммад Бободжонович Шарипов
Original Assignee
федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Алтайский государственный технический университет им. И.И. Ползунова" (АлтГТУ)
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 федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Алтайский государственный технический университет им. И.И. Ползунова" (АлтГТУ) filed Critical федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Алтайский государственный технический университет им. И.И. Ползунова" (АлтГТУ)
Priority to RU2015140367A priority Critical patent/RU2615678C2/en
Publication of RU2015140367A publication Critical patent/RU2015140367A/en
Application granted granted Critical
Publication of RU2615678C2 publication Critical patent/RU2615678C2/en

Links

Images

Classifications

    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F24HEATING; RANGES; VENTILATING
    • F24DDOMESTIC- OR SPACE-HEATING SYSTEMS, e.g. CENTRAL HEATING SYSTEMS; DOMESTIC HOT-WATER SUPPLY SYSTEMS; ELEMENTS OR COMPONENTS THEREFOR
    • F24D11/00Central heating systems using heat accumulated in storage masses
    • F24D11/02Central heating systems using heat accumulated in storage masses using heat pumps
    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F24HEATING; RANGES; VENTILATING
    • F24DDOMESTIC- OR SPACE-HEATING SYSTEMS, e.g. CENTRAL HEATING SYSTEMS; DOMESTIC HOT-WATER SUPPLY SYSTEMS; ELEMENTS OR COMPONENTS THEREFOR
    • F24D17/00Domestic hot-water supply systems
    • F24D17/02Domestic hot-water supply systems using heat pumps
    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F24HEATING; RANGES; VENTILATING
    • F24SSOLAR HEAT COLLECTORS; SOLAR HEAT SYSTEMS
    • F24S90/00Solar heat systems not otherwise provided for
    • F24S90/10Solar heat systems not otherwise provided for using thermosiphonic circulation
    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F24HEATING; RANGES; VENTILATING
    • F24VCOLLECTION, PRODUCTION OR USE OF HEAT NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • F24V50/00Use of heat from natural sources, e.g. from the sea
    • 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
    • Y02BCLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES RELATED TO BUILDINGS, e.g. HOUSING, HOUSE APPLIANCES OR RELATED END-USER APPLICATIONS
    • Y02B10/00Integration of renewable energy sources in buildings
    • Y02B10/70Hybrid systems, e.g. uninterruptible or back-up power supplies integrating renewable energies

Abstract

FIELD: heating.
SUBSTANCE: extra heating of soil is carried out by applying the solar radiation, as an outside heat source, inside the array of soil, by absorption of concentrated solar radiation in the receiver of solar radiation and heat transfer to the amount of gravel-water heat exchanger-accumulator which is in heat contact with soil. Throughout the year, selection of low-grade heat and its transformation using a heat pump cycle to a higher level, that meets the requirements of heating and hot water supply system, is carried out by transmission of heat through a heat exchanger connected to the contour of heat pump evaporator.
EFFECT: invention can improve energetic efficiency of processes of heat exchange, expand the scope and reduce the complexity of method.
3 cl, 2 dwg

Description

Изобретение относится к теплоэнергетике и может быть использовано в системах теплоснабжения зданий и сооружений различного назначения с применением тепловых насосов, обеспечивающих отопление, подогрев приточного вентиляционного воздуха и производство бытовой горячей воды.The invention relates to a power system and can be used in heat supply systems of buildings and structures for various purposes with the use of heat pumps for heating, heating the supply ventilation air and the production of domestic hot water.

Известны теплонасосные системы теплоснабжения (ТСТ) зданий, использующих низкопотенциальное тепло поверхностных слоев Земли, источником которого являются процессы теплообмена на границе «земная поверхность - атмосфера» в условиях поглощения энергии солнечной радиации. Поглощенное тепло в форме температурной волны распространяется вглубь земной поверхности. Грунт поверхностных слоев Земли фактически представляет собой тепловой аккумулятор неограниченной емкости, тепловой режим которого формируется под воздействием солнечной радиации и потока радиогенного тепла, поступающего из земных недр. Падающая на земную поверхность солнечная радиация и сезонные изменения ее интенсивности оказывают влияние на температурный режим слоев грунта, залегающих на глубинах 10÷20 метров. Температурный режим слоев грунта, расположенных ниже глубин проникновения тепла солнечной радиации, формируется только под воздействием тепловой энергии, поступающей из недр Земли, и практически не зависит от сезонных, а тем более суточных изменений параметров наружного климата. Грунт поверхностных слоев Земли, в связи с его повсеместной доступностью и достаточно высоким температурным потенциалом, является наиболее перспективным источником тепловой энергии низкого потенциала для теплонасосных установок.Heat pump systems of heat supply (TST) of buildings are known that use low-potential heat of the surface layers of the Earth, the source of which is heat exchange processes at the “earth surface – atmosphere” boundary under conditions of absorption of solar radiation energy. The absorbed heat in the form of a temperature wave propagates deep into the earth's surface. The soil of the Earth’s surface layers is actually a heat accumulator of unlimited capacity, the thermal regime of which is formed under the influence of solar radiation and the flux of radiogenic heat coming from the bowels of the earth. Solar radiation incident on the earth's surface and seasonal changes in its intensity affect the temperature regime of soil layers occurring at depths of 10–20 meters. The temperature regime of soil layers located below the penetration depths of solar radiation heat is formed only under the influence of thermal energy coming from the bowels of the Earth, and practically does not depend on seasonal, and even more daily changes in the parameters of the external climate. The soil of the surface layers of the Earth, due to its widespread availability and a sufficiently high temperature potential, is the most promising source of low-potential thermal energy for heat pump installations.

Известен способ использования теплоаккумулирующих свойств грунта, заключающийся в охлаждении грунтового массива, отборе низкопотенциального тепла из термоскважин, по которым циркулирует предварительно охлажденный в тепловом насосе теплоноситель, обеспечивающий отбор тепловой энергии от грунта и преобразование его с помощью тепловых насосов до более высокого уровня для теплоснабжения. При этом отбор тепловой энергии от грунта может быть реализован посредством установки двух типов замкнутых теплообменников ТСТ, расположенных в грунтовом массиве, использующих теплоту грунта и грунтовых вод с помощью трубопроводов, образующих замкнутую систему, заполненную рабочим телом в виде жидкости и ее паров: горизонтальных грунтовых теплообменников, представляющих собой отдельные трубы, расположенные в предварительно вырытых траншеях, положенные относительно плотно и соединенные между собой последовательно или параллельно, имеющих ограниченную область применения ввиду необходимости использования больших площадей поверхности земли для их устройства, и вертикальных грунтовых теплообменников, представляющих собой отдельные трубы, расположенные в пробуренных в земной коре скважинах, также соединенных между собой последовательно и параллельно, применение которых связано с высокими затратами на их строительство и невозможностью обслуживания (Федянин В.Я., Карпов М.К. Использование грунтовых теплообменников в системах теплоснабжения / В.Я. Федянин, М.К. Карпов // Ползуновский вестник. - 2006. - №4. - С. 98-103).There is a method of using the heat-accumulating properties of the soil, which consists in cooling the soil mass, selecting low-grade heat from thermal wells, through which the coolant previously cooled in the heat pump circulates, which selects heat energy from the soil and converts it using heat pumps to a higher level for heat supply. In this case, the selection of thermal energy from the soil can be realized by installing two types of closed TST heat exchangers located in the soil mass, using the heat of the soil and ground water using pipelines that form a closed system filled with a working fluid in the form of a liquid and its vapor: horizontal soil heat exchangers representing separate pipes located in previously dug trenches, laid relatively tightly and connected to each other in series or in parallel, and having a limited scope due to the need to use large areas of the earth’s surface for their construction, and vertical ground heat exchangers, which are separate pipes located in wells drilled in the earth’s crust, also interconnected in series and parallel, the use of which is associated with high construction costs and the inability to service (Fedyanin V.Ya., Karpov M.K. Use of soil heat exchangers in heat supply systems / V.Ya. Fedyanin, M.K. Karpov // Polzunovsky Bulletin. - 2006. - No. 4. - S. 98-103).

Недостатками известного способа являются большая инерционность и низкая энергетическая эффективность передачи тепла солнечной радиации, поглощаемой на границе «земная поверхность - атмосфера» глубинным слоям грунта, где устанавливают грунтовый теплообменник ТСТ, а также низкая эффективность извлечения тепла для целей горячего водоснабжения объектов в теплый период года, когда существенно снижается температура массива грунта, прилегающего к грунтовому теплообменнику, из-за интенсивного отбора тепла от грунта в предшествующий отопительный период.The disadvantages of this method are the large inertia and low energy efficiency of heat transfer of solar radiation absorbed at the boundary “earth's surface - atmosphere” to the deep layers of the soil, where the TST soil heat exchanger is installed, as well as low heat extraction efficiency for hot water supply of objects in the warm season, when the temperature of the soil mass adjacent to the soil heat exchanger significantly decreases due to the intense heat removal from the soil to the previous heating period.

Наиболее близким к предлагаемому изобретению по технической сущности и достигаемому результату (прототипом) является способ посезонного использования низкопотенциального тепла приповерхностного грунта, включающий дополнительный подогрев грунта сторонним источником тепла, в течение всего года отбор низкопотенциального тепла с использованием термоскважин и преобразование его с помощью теплонасосного цикла до более высокого уровня, удовлетворяющего требованиям систем отопления и горячего водоснабжения, в межотопительный период сброс в грунт утилизируемой тепловой энергии вентвыбросов для дополнительного аккумулирования тепла в грунте. При этом дополнительный подогрев грунта осуществляется сторонним источником тепла, в качестве которого используют утилизированное низкопотенциальное тепло вентиляционных выбросов. Подогрев производят путем подачи жидкого теплоносителя через слои грунта с помощью теплообменников закрытого типа. В межотопительный период переходят к аккумулированию в грунте внешних тепловых сбросов, переводя подачу теплоносителя через слои грунта на дополнительную замкнутую циркуляционную систему с установленным в ее составе промежуточным теплообменником ТСТ утилизации тепловых сбросов. При переходе от отбора тепла к аккумулированию тепловых сбросов меняют глубину подачи теплоносителя через слои грунта от уровня пересечения вертикальными контурами одного или нескольких водоносных слоев грунта до уровня выше кровли верхнего водоносного слоя. Для этого часть контуров, используемых для отбора тепла из грунта, применяют при отборе тепла и аккумулировании тепловых сбросов по укороченному варианту, путем установки этих контуров в составе дополнительной циркуляционной системы с длиной, соответствующей второму из указанных уровней. При этом остальные контуры устанавливают в составе основной циркуляционной системы с длиной, соответствующей первому уровню. Посезонную смену уровней решают либо путем применения в составе контуров известных конструктивных исполнений со скважинами разной глубины, либо - на основе скважинного теплообменника, реализующего способ (патент RU 2483255 C1, F24J 3/08 (2006/01), F24D 11/02 (2006/01)).The closest to the proposed invention in terms of technical nature and the achieved result (prototype) is a method for seasonally using low-grade heat of near-surface soil, including additional heating of the soil with an external heat source, throughout the year selection of low-grade heat using thermal wells and converting it using a heat pump cycle to more high level, satisfying the requirements of heating systems and hot water supply, in the inter-heating period Sat grew into the soil of the utilized thermal energy of ventilation blowouts for additional heat storage in the soil. In this case, additional soil heating is carried out by a third-party heat source, in which the utilized low-grade heat of ventilation emissions is used. Heating is carried out by supplying a liquid coolant through the soil layers using closed-type heat exchangers. In the inter-heating period, they switch to accumulation of external thermal discharges in the soil, transferring the supply of the heat carrier through the soil layers to an additional closed circulation system with an intermediate heat exchanger TST installed in its composition for the utilization of thermal discharges. In the transition from heat removal to accumulation of thermal discharges, the depth of the coolant supply through the soil layers is changed from the level of intersection of the vertical contours of one or more aquifers to the level above the roof of the upper aquifer. For this, a part of the circuits used for heat extraction from the soil is used when taking heat and accumulating heat discharges according to a shortened version, by installing these circuits as part of an additional circulation system with a length corresponding to the second of the indicated levels. In this case, the remaining circuits are installed in the main circulation system with a length corresponding to the first level. The seasonal change of levels is decided either by using known structural designs with wells of different depths as part of the circuits, or based on a downhole heat exchanger that implements the method (patent RU 2483255 C1, F24J 3/08 (2006/01), F24D 11/02 (2006 / 01)).

Данный способ посезонного использования низкопотенциального тепла приповерхностного грунта обладает низкой энергетической эффективностью из-за низкой величины удельного теплосъема с единицы длины термоскважины при «тепловой зарядке» массива грунта, ограниченной областью применения из-за требования наличия собственного источника утилизированной тепловой энергии, то есть наличия достаточной мощности этих источников и наличия на объекте теплоснабжения системы сбора сбросного тепла, например, для большинства жилых зданий практически отсутствует возможность создания таких систем. Кроме того, трудоемкость работ по реализации описанного способа, связанных с созданием и периодическим обслуживанием в процессе эксплуатации грунтового теплобменника ТСТ, является высокой из-за низкой энергетической эффективности процессов теплообмена на границе «поверхность термоскважины - грунт», что приводит к необходимости увеличения площади теплообменной поверхности термоскважины и, как следствие, к общему увеличению объема посезонного использования низкопотенциального тепла приповерхностного грунта.This method of seasonal use of low-grade heat of the near-surface soil has low energy efficiency due to the low specific heat removal per unit length of the thermal well during “thermal charging” of the soil mass, limited by the field of application due to the requirement of having its own source of utilized thermal energy, that is, having sufficient power of these sources and the presence of a waste heat collection system at the heat supply facility, for example, for most residential buildings Ki there is no possibility of creating such systems. In addition, the complexity of the work on the implementation of the described method associated with the creation and periodic maintenance during operation of the TST soil heat exchanger is high due to the low energy efficiency of heat transfer processes at the boundary “surface of the thermal well - soil”, which leads to the need to increase the area of the heat exchange surface thermal wells and, as a result, to a general increase in the volume of seasonal use of low-grade heat of near-surface soil.

Предлагаемое техническое решение направлено на повышение энергетической эффективности процессов теплообмена, расширение области применения и снижение трудоемкости реализации способа.The proposed technical solution is aimed at increasing the energy efficiency of heat transfer processes, expanding the scope and reducing the complexity of the implementation of the method.

Для решения поставленной задачи в способе использования тепла приповерхностного грунта, включающем дополнительный подогрев грунта сторонним источником тепла, в течение всего года отбор низкопотенциального тепла и преобразование его с помощью теплонасосного цикла до более высокого уровня, удовлетворяющего требованиям систем отопления и горячего водоснабжения. Согласно изобретению дополнительный подогрев грунта осуществляют путем подачи стороннего источника тепла, в качестве которого используют солнечную радиацию, внутрь массива грунта, поглощения сконцентрированной солнечной радиации в приемнике солнечной радиации и передачи тепла в объем галечно-водяного теплообменника-накопителя, находящегося в тепловом контакте с грунтом, а отбор и преобразование низкопотенциального тепла из грунта до более высокого температурного уровня проводят путем передачи тепла через теплообменник закрытого типа, подключенный к контуру испарителя теплового насоса.To solve the problem in a method of using heat from surface soil, including additional heating of the soil with an external heat source, throughout the year the selection of low-grade heat and its conversion using the heat pump cycle to a higher level that meets the requirements of heating systems and hot water supply. According to the invention, additional soil heating is carried out by supplying a third-party heat source, which uses solar radiation, into the soil array, absorbing concentrated solar radiation in the solar radiation receiver, and transferring heat to the volume of the pebble-water heat exchanger-storage device in thermal contact with the soil, and the selection and conversion of low-grade heat from the soil to a higher temperature level is carried out by transferring heat through a closed heat exchanger type connected to the heat pump evaporator circuit.

Подачу солнечной радиации внутрь массива грунта можно осуществлять путем ее фокусирования зеркальными отражателями с криволинейными, в частности параболическими, или прямолинейными рабочими поверхностями.The supply of solar radiation into the soil mass can be carried out by focusing it with mirror reflectors with curved, in particular parabolic, or rectilinear working surfaces.

Передачу тепла в объем галечно-водяного теплообменника-накопителя, находящегося в тепловом контакте с грунтом, от приемника-поглотителя солнечной радиации можно осуществлять однофазным конвективным потоком жидкого теплоносителя за счет термосифонной циркуляции.Heat transfer to the volume of a pebble-water heat exchanger-accumulator in thermal contact with the soil from the receiver-absorber of solar radiation can be carried out by a single-phase convective flow of a liquid coolant due to thermosiphon circulation.

Повышение энергетической эффективности процессов теплообмена обусловлено высокой результативностью использования солнечной радиации, падающей на границу «земная поверхность - атмосфера» за счет исключения потерь на отражение от поверхности и потери поглощенного тепла нагретого грунта с инфракрасным излучением в атмосферу. Так, общие потери энергии с открытой поверхности грунта весьма значительны и, например, для равнинных территорий Алтайского края они составляют 43÷66% от годовой суммы солнечной радиации (Федянин В.Я., Мещеряков В.А. Инновационные технологии для алтайской энергетики / В.Я. Федянин, В.А. Мещеряков. - Барнаул: ААЭП, 2010. - С. 62. ISBN 978-5-8349-0126-6).The increase in the energy efficiency of heat transfer processes is due to the high efficiency of using solar radiation incident on the boundary “earth's surface - atmosphere” due to the exclusion of losses from reflection from the surface and the loss of absorbed heat of heated soil with infrared radiation into the atmosphere. So, the total energy loss from the open surface of the soil is very significant and, for example, for the flat territories of the Altai Territory they make up 43 ÷ 66% of the annual amount of solar radiation (Fedyanin V.Ya., Meshcheryakov V.A. Innovative Technologies for Altai Energy / V I. Ya. Fedyanin, V. A. Meshcheryakov. - Barnaul: AAEP, 2010. - P. 62. ISBN 978-5-8349-0126-6).

Расширение области применения способа обусловлено возможностью создания на его основе энергоэффективных теплонасосных систем теплоснабжения для любых объектов, в том числе и для объектов, не обладающих достаточной мощностью источников тепловых сбросов.The expansion of the scope of the method is due to the possibility of creating on its basis energy-efficient heat pump heat supply systems for any facilities, including facilities that do not have sufficient power sources of thermal discharges.

Снижение трудоемкости реализации способа обусловлено простотой устройств концентрации и передачи энергии солнечной радиации к теплообменникам системы ТСТ, более высокой энергетической эффективности процессов передачи тепла потребителю за счет более высокой рабочей температуры галечно-водяного теплообменника-накопителя, чем массива прилегающего к нему грунта и, как следствие, меньшей материалоемкостью теплообменников системы ТСТ, меньшими трудозатратами при их создании и эксплуатации, чем при реализации известных технических решений.The decrease in the complexity of the implementation of the method is due to the simplicity of devices for concentrating and transferring energy of solar radiation to the TST system heat exchangers, higher energy efficiency of heat transfer processes to the consumer due to the higher operating temperature of the pebble-water heat exchanger-storage device than the array of adjacent soil and, as a result lower material consumption of heat exchangers of the TST system, less labor costs during their creation and operation than when implementing well-known technical solutions Nij.

Предлагаемый способ поясняется чертежом, где на фиг. 1 приведена схема его осуществления, а на фиг. 2 - вид А фиг. 1.The proposed method is illustrated in the drawing, where in FIG. 1 is a diagram of its implementation, and in FIG. 2 is a view A of FIG. one.

Способ использования тепла приповерхностного грунта реализуется при помощи концентратора 1 солнечной радиации, позволяющего использовать как прямое, так и отраженное солнечное излучение, имеющего слой тепловой изоляции 2, устройства 3 вертикальной ориентации концентратора солнечной радиации на Солнце, теплообменника ТСТ 4, приемника 5 солнечной радиации, галечно-водяного теплообменника-накопителя 6.The method of using the heat of surface soil is realized using a solar radiation concentrator 1, which allows using both direct and reflected solar radiation, having a thermal insulation layer 2, vertical orientation device 3 of the solar radiation concentrator on the Sun, TST 4 heat exchanger, solar radiation receiver 5, gravel - water heat exchanger-storage 6.

Концентратор 1 солнечной радиации снабжен зеркальными отражателями с криволинейными, в частности параболическими, рабочими поверхностями конической или клиновидной конфигурации или прямолинейными рабочими поверхностями. Отражатели с параболическими рабочими поверхностями, получившие название фоконов, то есть фокусирующих конусов, и фоклинов, то есть фокусирующих клинов, применяются в настоящее время в гелиоэнергетике.The solar radiation concentrator 1 is provided with mirror reflectors with curvilinear, in particular parabolic, working surfaces of a conical or wedge-shaped configuration or rectilinear working surfaces. Reflectors with parabolic work surfaces, called focons, i.e. focusing cones, and foclines, i.e. focusing wedges, are currently used in solar energy.

Фоконы и фоклины с параболическими рабочими поверхностями обладают двумя основными положительными свойствами: они не требуют высокой точности изготовления зеркальной поверхности отражателя и, что особенно важно, сохраняют исходный уровень концентрации излучения при невысокой точности ориентации оси отражателя на Солнце. В стационарных условиях они могут эффективно работать, оставаясь в течение нескольких месяцев неподвижными по отношению к светилу.Focons and phoclines with parabolic working surfaces have two main positive properties: they do not require high precision manufacturing of the reflector’s mirror surface and, most importantly, they maintain the initial level of radiation concentration with a low accuracy of the orientation of the reflector axis on the Sun. In stationary conditions, they can work effectively, remaining motionless for several months in relation to the luminary.

Лучшим материалом рабочих поверхностей отражателя является алюминий, который имеет наиболее высокий интегральный коэффициент отражения в диапазоне длин волн солнечного спектра. Для защиты алюминия от внешних воздействий на него должно быть нанесено защитное покрытие, в частности, из тонкой полимерной пленки, либо из пленки окиси кремния, либо из пленки двуокиси алюминия.The best material for the working surfaces of the reflector is aluminum, which has the highest integrated reflection coefficient in the wavelength range of the solar spectrum. To protect aluminum from external influences, a protective coating must be applied to it, in particular, from a thin polymer film, either from a film of silicon oxide or from a film of aluminum dioxide.

К концентраторам солнечной радиации предъявляются следующие основные требования:The following basic requirements are imposed on solar radiation concentrators:

- высокая отражательная способность в диапазоне длин волн спектра солнечного излучения;- high reflectivity in the wavelength range of the spectrum of solar radiation;

- минимальная удельная масса, то есть масса на единицу площади отражающей поверхности;- the minimum specific gravity, that is, the mass per unit area of the reflecting surface;

- компактность в транспортировочном состоянии при простоте и надежности устройств, обеспечивающих сборку;- compactness in the transport state with the simplicity and reliability of the devices providing assembly;

- устойчивость элементов конструкции и оптических покрытий отражающих рабочих поверхностей к длительному воздействию факторов внешней среды;- the stability of structural elements and optical coatings of reflecting work surfaces to prolonged exposure to environmental factors;

- низкая стоимость и простота изготовления и ремонта.- low cost and ease of manufacture and repair.

Основным энергетическим показателем концентратора солнечной радиации является коэффициент, то есть степень, концентрации, или концентрирующая способность К, которая определяется как отношение средней плотности сконцентрированного излучения к плотности лучистого потока, падающего на отражающую поверхность при условии точной ориентации последней на Солнце.The main energy indicator of a solar radiation concentrator is the coefficient, that is, the degree, concentration, or concentrating ability K, which is defined as the ratio of the average density of concentrated radiation to the density of the radiant flux incident on the reflective surface, provided the latter is accurately oriented to the Sun.

Внешние поверхности концентратора 1 для исключения конденсации влаги покрыты слоем эффективной тепловой изоляции 2.The outer surface of the hub 1 to prevent moisture condensation is covered with a layer of effective thermal insulation 2.

Устройство 3 вертикальной ориентации концентратора солнечной радиации на Солнце позволяет подстраивать направление оси концентратора 1 в зависимости от сезонного изменения траектории видимого движения Солнца.The device 3 of the vertical orientation of the solar radiation concentrator on the Sun allows you to adjust the direction of the axis of the concentrator 1 depending on the seasonal change in the trajectory of the visible movement of the Sun.

Теплообменник ТСТ 4, который может быть выполнен спиральным, предназначен для передачи тепловой энергии к теплообменнику-испарителю теплового насоса (на чертеже не показан).The TST 4 heat exchanger, which can be made spiral, is designed to transfer heat energy to the heat exchanger-evaporator of the heat pump (not shown in the drawing).

Приемник 5 солнечной радиации закрытого, то есть полостного, типа, теплообменника ТСТ 4 и галечно-водяной теплообменник-накопитель 6 встроены в грунтовый массив.The receiver 5 of solar radiation closed, that is, cavity, type, heat exchanger TST 4 and pebble-water heat exchanger-storage 6 are built into the soil mass.

Способ использования тепла приповерхностного грунта осуществляется следующим образом.The method of using the heat of surface soil is as follows.

Осуществляют дополнительный подогрев грунта путем подачи стороннего источника тепла, в качестве которого используют солнечную радиацию, внутрь массива грунта, через концентратор 1 солнечной радиации, поглощения сконцентрированной солнечной радиации посредством приемника 5 солнечной радиации и передачи тепла в объем галечно-водяного теплообменника-накопителя 6, находящегося в тепловом контакте с грунтом. Таким образом, сконцентрированное солнечное излучение, попадая в приемник 5 солнечной радиации, нагревает стенки внутренней полости, а циркулирующий в рубашке приемника солнечной радиации теплоноситель передает поглощенное тепло в объем галечно-водяного теплообменника-накопителя 6.The soil is additionally heated by supplying an external heat source, which uses solar radiation, into the soil array, through the solar radiation concentrator 1, absorbing concentrated solar radiation through the solar radiation receiver 5 and transferring heat to the volume of the pebble-water heat exchanger-storage device 6 located in thermal contact with the ground. Thus, concentrated solar radiation entering the solar radiation receiver 5 heats the walls of the internal cavity, and the coolant circulating in the jacket of the solar radiation receiver transfers the absorbed heat to the volume of the pebble-water heat exchanger-storage 6.

Отбор и преобразование низкопотенциального тепла из грунта до более высокого температурного уровня, удовлетворяющего требованиям систем отопления и горячего водоснабжения, с помощью теплонасосного цикла в течение всего года проводят путем дальнейшей передачи тепла через теплообменник ТСТ 4, подключенный к контуру испарителя теплового насоса.The selection and conversion of low-grade heat from the soil to a higher temperature level that meets the requirements of heating systems and hot water supply, using the heat pump cycle throughout the year, is carried out by further transfer of heat through the TST 4 heat exchanger connected to the heat pump evaporator circuit.

Подачу солнечной радиации внутрь массива грунта можно производить путем ее фокусирования зеркальными отражателями с криволинейными, в частности параболическими, или прямолинейными рабочими поверхностями.The solar radiation can be supplied into the soil mass by focusing it with mirror reflectors with curved, in particular parabolic, or rectilinear working surfaces.

Передачу тепла в объем галечно-водяного теплообменника-накопителя 6, находящегося в тепловом контакте с грунтом, можно осуществлять однофазным конвективным потоком жидкого теплоносителя.Heat transfer to the volume of the pebbly-water heat exchanger-accumulator 6, which is in thermal contact with the soil, can be carried out by a single-phase convective flow of a liquid coolant.

Предлагаемый способ использования тепла приповерхностного грунта обеспечивает высокую энергетическую эффективность, расширение области применения и снижение трудоемкости и стоимости работ по изготовлению и периодическому обслуживанию оборудования, реализующего способ.The proposed method of using the heat of surface soil provides high energy efficiency, expanding the scope and reducing the complexity and cost of manufacturing and periodic maintenance of equipment that implements the method.

Claims (3)

1. Способ использования тепла приповерхностного грунта, включающий дополнительный подогрев грунта сторонним источником тепла, в течение всего года отбор низкопотенциального тепла и преобразование его с помощью теплонасосного цикла до более высокого уровня, удовлетворяющего требованиям систем отопления и горячего водоснабжения, отличающийся тем, что дополнительный подогрев грунта осуществляют путем подачи стороннего источника тепла, в качестве которого используют солнечную радиацию, внутрь массива грунта, поглощения сконцентрированной солнечной радиации в приемнике солнечной радиации и передачи тепла в объем галечно-водяного теплообменника-накопителя, находящегося в тепловом контакте с грунтом, а отбор и преобразование низкопотенциального тепла из грунта до более высокого температурного уровня проводят путем передачи тепла через теплообменник, подключенный к контуру испарителя теплового насоса.1. The method of using the heat of surface soil, including additional soil heating by an external heat source, throughout the year the selection of low-grade heat and converting it using a heat pump cycle to a higher level that meets the requirements of heating systems and hot water supply, characterized in that the additional heating of the soil carried out by supplying an external source of heat, which is used as solar radiation, into the soil mass, absorption of concentrated solar radiation in the receiver of solar radiation and heat transfer to the volume of the pebbly-water heat exchanger-drive in thermal contact with the soil, and the selection and conversion of low-grade heat from the soil to a higher temperature level is carried out by transferring heat through a heat exchanger connected to the evaporator circuit heat pump. 2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что подачу солнечной радиации внутрь массива грунта осуществляют путем ее фокусирования зеркальными отражателями с криволинейными, в частности параболическими, или прямолинейными рабочими поверхностями.2. The method according to p. 1, characterized in that the supply of solar radiation into the soil mass is carried out by focusing it with mirror reflectors with curved, in particular parabolic, or rectilinear working surfaces. 3. Способ по п. 1, отличающийся тем, что передачу тепла в объем галечно-водяного теплообменника-накопителя, находящегося в тепловом контакте с грунтом, осуществляют однофазным конвективным потоком жидкого теплоносителя.3. The method according to p. 1, characterized in that the heat transfer to the volume of the pebble-water heat exchanger-drive in thermal contact with the soil is carried out by a single-phase convective flow of a liquid coolant.
RU2015140367A 2015-09-22 2015-09-22 Near-surface soil heat use method RU2615678C2 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2015140367A RU2615678C2 (en) 2015-09-22 2015-09-22 Near-surface soil heat use method

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2015140367A RU2615678C2 (en) 2015-09-22 2015-09-22 Near-surface soil heat use method

Publications (2)

Publication Number Publication Date
RU2015140367A RU2015140367A (en) 2017-03-30
RU2615678C2 true RU2615678C2 (en) 2017-04-06

Family

ID=58505965

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2015140367A RU2615678C2 (en) 2015-09-22 2015-09-22 Near-surface soil heat use method

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU2615678C2 (en)

Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
SU1548619A1 (en) * 1987-12-07 1990-03-07 Институт высоких температур АН СССР Method of operating and central heating and power supply system
AT413302B (en) * 2001-05-11 2006-01-15 Vaillant Gmbh Total environmental heat source for heat pump has heat sources such as air collector, earth's heat exchanger and solar absorber connected in series, bridged by bypass lines controlled by valve
RU2429423C1 (en) * 2010-02-25 2011-09-20 Институт машиноведения и металлургии Дальневосточного отделения Российской академии наук Independent room heating system
RU2483255C1 (en) * 2011-10-20 2013-05-27 Открытое акционерное общество "Научно-производственный центр по сверхглубокому бурению и комплексному изучению недр Земли" (ОАО "НПЦ "Недра") Method of seasonal use of low-potential heat of surface soil, and downhole heat exchangers for implementation of method's versions

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
SU1548619A1 (en) * 1987-12-07 1990-03-07 Институт высоких температур АН СССР Method of operating and central heating and power supply system
AT413302B (en) * 2001-05-11 2006-01-15 Vaillant Gmbh Total environmental heat source for heat pump has heat sources such as air collector, earth's heat exchanger and solar absorber connected in series, bridged by bypass lines controlled by valve
RU2429423C1 (en) * 2010-02-25 2011-09-20 Институт машиноведения и металлургии Дальневосточного отделения Российской академии наук Independent room heating system
RU2483255C1 (en) * 2011-10-20 2013-05-27 Открытое акционерное общество "Научно-производственный центр по сверхглубокому бурению и комплексному изучению недр Земли" (ОАО "НПЦ "Недра") Method of seasonal use of low-potential heat of surface soil, and downhole heat exchangers for implementation of method's versions

Also Published As

Publication number Publication date
RU2015140367A (en) 2017-03-30

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Chopra et al. Experimental performance evaluation of a novel designed phase change material integrated manifold heat pipe evacuated tube solar collector system
Ahmed et al. Recent progress in solar water heaters and solar collectors: A comprehensive review
Allouhi et al. Forced-circulation solar water heating system using heat pipe-flat plate collectors: Energy and exergy analysis
Jamar et al. A review of water heating system for solar energy applications
Li et al. Operational performance study on a photovoltaic loop heat pipe/solar assisted heat pump water heating system
He et al. Operational performance of a novel heat pump assisted solar façade loop-heat-pipe water heating system
Chow et al. Potential use of photovoltaic-integrated solar heat pump system in Hong Kong
CN101877561B (en) Solar energy composite utilizes system
CN103292517B (en) A kind of source, ground cooling device being applied to solar power system
RU2569403C1 (en) Self-sustained power and heat supply system for building
Ardeh et al. Exergy and economic assessments of solar organic Rankine cycle system with linear V-Shape cavity
Wang et al. Performance study of a passive vertical multiple-effect diffusion solar still directly heated by parabolic concentrator
Jesko Classification of solar collectors
CN202581929U (en) Ground source cooling device applied to solar power generating system
Kocer et al. A comparison of flat plate and evacuated tube solar collectors with f-chart method
Tsoutsou et al. Building integration of concentrating solar systems for heating applications
RU2615678C2 (en) Near-surface soil heat use method
Vinubhai et al. A review: solar water heating systems
CN102080886A (en) Device for storing energy by using soil
MahdY et al. The performance of an effective solar water heater enhancement based on experimental study
CN101003988A (en) Construction system of heat collection and heat storage from solar energy
US20220136738A1 (en) Top-Surface-Cooled, Directly Irradiated Liquid Receiver For Concentrated Solar Power
Marčič et al. Hybrid system solar collectors-heat pumps for domestic water heating
Khare et al. Parabolic solar collector
Hammadi Combined Solar Chimney Power Plant and Solar Still

Legal Events

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

Effective date: 20180923