Сучасні розробки у галузі енергозабезпечення

2

Зміст

Вступ…………………………………………………………...……...……….…..4

1. Характеристика об'єкту……………………………………………...….……...6

1.1 Географічне положення……………………………………………...……….6

1.2 Характеристика природно-кліматичних умов………………………………6

2. Обґрунтування запропонованого удосконалення……………………………8

2.1 Сучасний стан енергозабезпечення……………………………………….…8

2.2 Напрямки розвитку паливно-енергетичного комплексу…………………...9

2.3 Що таке геотермальна енергія?..……………………………………………11

2.4 Світовий потенціал геотермальної енергії…………………………………12

2.5 Використання геотермальних джерел енергії…………………...……...….13

2.6 Утилізація і виробництво…………………………………………...…...…..16

2.7 Екологічні аспекти………………………………………………...……..….17

2.8 Геотермальна енергія. Стан і перспективи розвитку…..…………...……..18

2.9 Теплові насоси………………………………………………..………...……20

2.9.1 Загальна характеристика…………………………………………………..20

2.9.2 Область використання теплових насосів……………………...…..……..22

2.9.3 Конструктивна схема компресійного теплового насоса………..……….22

2.9.4 Робоче тіло теплових насосів……………………………………………..23

2.9.5 Ґрунт як джерело низько потенційної теплової енергії……..…..………24

2.9.6 Чинники, під впливом яких формується температурний режим ґрунту25

2.9.7 Види теплообмінників…………..………………………………………...27

2.9.8 "Стійкість" систем використання низько потенційного тепла землі…..32

2.9.9 Порівняння ТНС з котельнею………………………………………….....37

2.9.10 Переваги ТНС опалення приміщення в порівнянні з котельнею……..38

3. Вибір власного теплового насосу……………………………………………39

3.1 Вибір моделі теплового насосу……………………….……….……………39

3.2 Вказівки за розрахунком - ґрунт як джерело тепла……..…………………39

3.3 Встановлення обладнання……………………………………….………….41

4. Теоретичний експеримент…………………………………………..………..46

5. Недоліки теплових насосів……………………………………………...……48

6. Структурно-функціональний аналіз виробничого процесу та розроблення моделі травмонебезпечних та аварійних ситуацій…………………………….49

Список літератури…………………………………………………………….…54

Вступ

Зростання споживання енергії, пов'язане із збільшенням обсягів виробництва та переведенням сільського господарства на промислову основу, поліпшення умов життя населення (світло, опалення, транспорт, розваги) потребує зростаючих поставок паливо-енергетичних ресурсів. У цих умовах їх економія та більш ефективне використання набувають першочергового значення.

Крім цього, фундаментальні зміни в енергетиці не відбудуться без відповідних змін у соціальній, економічній і духовній сферах нашого життя. Збереження енергії і її раціональне використання є не лише проблемою вартості тепла, води, електрики, міжнародних кредитів тощо. В першу чергу це є проблемою нашого майбутнього.

Для отримання теплоносія з відносно невисокою температурою, яка використовується для опалення та гарячого водопостачання, нераціонально витрачати органічне паливо. Яке може забезпечити значно більшу температуру теплоносія, таку необхідну для виробництва електричну енергію. Одним із заходів з економії паливно-енергетичних ресурсів у системах теплопостачання на об'єкт промислового та комунально-господарського призначення є застосування альтернативних джерел енергії з одночасним впровадженням тепло насосних установок.

Відповідно до експертних оцінок та техніко-економічних розрахунків головними типами теплових помп для будівничої справи є компресійні та абсорбційні теплові насоси, зокрема, типу повітря - повітря, повітря - вода, вода - повітря, вода - вода, соляний розчин - вода.

Вибір типу теплонасосної установки для систем теплопостачання залежить від місцевих природно-кліматичних умов, наявності дешевого та доступного низько потенціального джерела енергії.

Компресійний тепловий насос складається з послідовно розташованих постачального насоса, контуру теплоносія, випарника, компресора та конденсатора, приєднаного через дросель з випарником. Постачальний насос качає теплоносій із оточуючого середовища в випарник, в якому міститься холодоагент, холодоагент відбирає від теплоносія тепло та надходить до компресора, в якому за рахунок стиснення його температура підвищується до температури вище температури конденсації. З компресора холодоагент надходить до конденсатора, в якому за рахунок конденсації холодоагент, надходить через дросель, у якому він розширюється та охолоджується нижче температури оточуючого середовища, в випарник.

Компресійний тепловий насос включає в себе постачальний насос, контур теплоносія, випарник, компресор та конденсатор; виконаний у вигляді 2n секцій, де n- 1, 2, 3 ,..., кожна з котрих складається з поєднаних між собою камер випарника, компресора та конденсатора, в поршні компресора розташовані (n) клапанів, причому камери випарника та конденсатора поєднані через введення між ними гідроагрегату. Так як камера випарника безпосередньо об'єднана з тим об'ємом камер компресора, в якому відбувається розширення, то робота по тиску насиченого пару в камері компресора менше ніж у компресорі прототипу , а це приводить до збільшення ККД теплового насоса. Крім того, оскільки дно камери конденсатора розташоване вище дна камери випарника насичений пар холодоагенту конденсуючись в конденсаторі здобуває додатково гравітаційну потенціальну енергію, яка в гідроагрегаті перетворюється у електроенергію, яка використовується для роботи компресора за рахунок чого, збільшується ККД теплового насоса. Вказана конструкція камери компресора, складається з меншого числа деталей та простіша в виготовленні, що спрощує конструкцію теплового насоса.

1. Характеристика об'єкту

1.1 Географічне положення

З проголошенням незалежності України, зросла роль історичних місць держави, в тому числі і Рівного, як міста, що зближує нашу державу з країнами Центральної і Західної Європи.

Місцеві підприємства прагнуть знайти своє місце в системі ринкових відносин. Це досягається насамперед за рахунок конкурентоздатної продукції і освоєння випуску нових видів товарів та послуг, що користуються попитом у населення.

Характерна місцевість: рівнинні райони. Погані ґрунти з болотами на півночі, горбиста місцевість на сході та півдні з чорноземами та глиноземами. Переважаючі вітри в даній місцевості є західні та північно-західні, тому практично впливу на клімат міста не мають.

Ґрунти в даній місцевості мають широкий спектр: чорноземи, глиноземи, супіски. Глибина культурного шару коливається в межах від 0.2 до 0.7 метрів.

Рівне знаходиться на відстані 210 кілометрів від міжобласного центру - Львова; через місто проходить важлива державна автомагістраль і залізничні колії.

1.2 Характеристика природно-кліматичних умов

Для міста Рівне Рівненської області характерні такі природно-кліматичні умови:

- клімат помірно-континентальний: зима - сніжна, літо - дощове, помірно тепле;

- переважаючі вітри західні та північно-західні;

- середньорічна температура повітря становить біля 7?С тепла;

- абсолютна мінімальна температура становить -28?С;

- абсолютна максимальна температура становить 35?С;

- середня температура самого жаркого місяця становить 17.2°С;

середня максимальна температура 23°С;

опалювальний період становить 186 днів;

середня відносна вологість повітря самого холодного місяця становить близько 80%;

середня відносна вологість повітря самого жаркого місяця року становить в середньому 96 - 98%;

середньорічна кількість опадів становить 560 - 565 мм;

середня швидкість вітру в січні місяці становить 6.3 - 6.4 м/с;

середня швидкість вітру в липні місяці становить 0.1 м/с;

глибина промерзання ґрунту становить приблизно 35 - 45 см.

2. Обґрунтування запропонованого удосконалення

2.1 Сучасний стан енергозабезпечення

За останні 10 років значно змінилось становище з енергозабезпеченням населення і виробничої сфери в нашому суспільстві. У наслідок економічної та енергетичної кризи зменшились обсяги виробництва продукції. Це негативно впливає на рівень життя людей. Але з посиленням цих тенденцій почалася розробка і впровадження нових методів, засобів і програм впливу на споживання енергоресурсів у всіх сферах виробництва і побуту. Науково-технічний прогрес у сучасних умовах стимулює динамічний розвиток малої і мікро енергетики, максимально наближених до безпосередніх споживачів не тільки у високо розвинутих країнах, але й у країнах, де відбуваються кризові явища, як це є сьогодні в Україні. Підприємства, заводи, енергетичні гіганти в умовах швидкої зміни принципів господарювання із-за своєї інерційності стали неконкурентоспроможними, в порівнянні з малими підприємствами, які забезпечують динамічну зміну обладнання технологій і видів продукції, в тому числі енергозберігаючих, при порівняно невеликих інвестиціях, що сприяє їх швидкій адаптації до нових умов. Сьогодні така тенденція енергозберігання споживачів впливає і на енергоспоживання, а отже і на собівартість, і конкурентоспроможність продукції [15].

Це все пов'язано в основному з екстенсивним розвитком паливно-енергетичного комплексу (ПЕК). В результаті неухильно зростає використання традиційних паливно-енергетичних ресурсів (ПЕР), запаси яких близькі до вичерпання. Наближається „енергетичний голод” і загроза глобальної екологічної катастрофи через шкідливі викиди в довкілля - чинники парникового ефекту, який може призвести до зникнення життя на Землі. Нині все гучніше чути, що катастрофа уже розпочалася і незворотна і прискорено розгортається.

Системні дослідження на замовлення Програми розвитку ООН (ПР ООН) свідчить: щоб запобігати цим руйнівним тенденціям або хоча би призупинити їх, необхідно змінити пріоритети розвитку ПЕК. Насамперед слід відмовитися від екстенсивної моделі розвитку ПЕК, тобто вжити широкомасштабних заходів щодо підвищення енергоефективності шляхом раціонального, ощадливого споживання енергії [16].

2.2 Напрямки розвитку паливно-енергетичного комплексу

Згідно із результатами згаданих в п. 3.1 досліджень, слід повсюдно впроваджувати техніку і технології використання нових (альтернативних) і відновлюваних джерел енергії (АВДЕ), тому що:

- ресурси АВДЕ невичерпні;

- технології є екологічно чистими;

- техніка і технології виробництва багатьох видів АВДЕ вже відпрацьовані настільки, що можуть становити конкуренцію об'єктам традиційної енергетики і тому поступово їх витісняють.

За даними Світової енергетичної конференції, розвіданих запасів енергоносіїв для забезпечення потреб в енергії достатньо на такий час:

нафти - 25...30 років;

природного газу - 50...60 років;

урану для АЕС на повільних (теплових) нейтронах - 20...30 років;

плутонію для АЕС на швидких нейтронах - 1000...3000 років.

Наприклад, екологічні та економічно чисті первинні енергоносії - нафта та природний газ - дефіцити в Україні, а споживаються прискореними темпами. Тому орієнтувати розвиток ПЕК країни на їх основі на тривалу перспективу аж ніяк не можна. Таким чином, прийнято ряд законів щодо економічного стимулювання енергетики на базі АВДЕ: „Про альтернативні види палива”, „Про електроенергетику”, „Про енергозбереження”, „Про внесення змін до деяких законів України щодо стимулювання розвитку вітроенергетики України”, „Про альтернативні джерела енергії”; прийнято і ще розробляється багато нормативних документів, зокрема ДСТУ і ГДК в області вітроенергетики. У вузах України для сфери АВДЕ розпочато підготовку фахівців [16].

Національно-енергетична та інші державні програми передбачають використання наступних АВДЕ:

вітру (ВЕС);

води (малих та міні ГЕС);

сонячного випромінювання, геотермальної, тепла довкілля, тобто поверхневих шарів Землі (ґрунту), ґрунтових вод, атмосферного повітря, вторинного тепла промислового виробництва (теплові помпи);

біогазу, вугільного метану, горючих твердих побутових і промислових відходів і деяких інших альтернативних видів палива разом з місцевими.

На розвиток і збільшення масштабів використання АВДЕ негативно впливають недосконалість, неврегульованість і нескоординованість організації справи, відсутність єдиного керівного центру.

Ресурси АВДЕ в Україні достатньо великі. Так, за оцінками ІЕД НАНУ, технічно допустимий для освоєння вітропотенціал приблизно у 200 разів більший за нинішні обсяги генерування електроенергії у країні. Вже є вітроенергетика, яка може ефективно експлуатуватися на площадках із середньорічною швидкістю 4.3 м/с. Отже, вітроенергетика є дуже перспективним напрямком модернізації українського ПЕК, скорочення споживання ПЕР і одночасно розв'язання екологічних проблем. Крім того, в Україні є надзвичайно сприятливі умови для спорудження офшорних ВЕС на акваторіях, де параметри вітру значно кращі, ніж на суходолі.

Перспективний напрямок розвитку вітроенергетики в Україні - інтеграція з гідроенергетикою, наприклад, спільне використання інфраструктури існуючих ГЕС або створення вітроакумулюючих електростанцій, що видаватимуть електроенергію в мережу за графіком.

В Україні поволі розгортаються роботи з розвитку малої гідроенергетики. Завдяки гідроенергетиці можна підтримувати графік навантаження енергосистеми за рахунок кращих економічних показників роботи. Тому цей напрямок удосконалення ПЕК України є надзвичайно актуальним і перспективним.

Україна має великі ресурси геотермальної енергії. Є достатньо конструкторської документації на компресійні й абсорбційні теплові помпи, здатні забезпечити високі техніко-економічні показники.

Освоєння альтернативних видів палива теж здійснюється незадовільно, прийняття закону України „Про альтернативні види палива” має активізувати підприємницьку діяльність у цьому напрямку. Багатообіцяючий старт за участі іноземних інвестицій - у технологій використання вугільного метану.

2.3 Що таке геотермальна енергія?

Теплота - одна з форм енергії. Геотермальна енергія являє собою теплоту внутрішніх шарів Землі. Саме ця енергія є причиною таких геологічних феноменів, як дрейф континентів, землетруси або вулкани. Під геотермальною енергією ми звичайно розуміємо ту частину тепла земних надр, що використовується або може бути використана людиною.

Основна кількість теплової енергії Землі утворюється внаслідок розпаду радіоактивних ізотопів у земній корі і мантії. Збільшення температури із заглибленням у земну кору (так званий геотермальний градієнт) становить 2,5-30С на кожні 100 метрів. У геотермальних районах, що містяться на межі літосферних плит, температурний градієнт може бути вищим в 10 разів. Часто це області з активною вулканічною діяльністю. У таких місцях температура може досягати 3000С на глибині всього лише 500-1000 м. Однак значні геотермальні ресурси можуть міститися й у районах з нормальним геотермальним градієнтом. Зазначимо, що сучасні технічні засоби дозволяють проникати на глибину до 10 км.

Щоб використати теплоту з глибинних шарів землі, її слід підняти на поверхню. Теплота може надходити на поверхню природним шляхом - через тріщини в земній корі, або ж для того, щоб її підняти, необхідно бурити свердловини. Носієм тепла є нагріта вода або водяна пара там, де температура і тиск сприяють її утворенню. Для того, щоб геотермальна рідина могла поглинати тепло Землі, вона має циркулювати в області гарячих скельних порід, утворюючи геотермальні резервуари. Рідина і сам резервуар являють собою два з трьох основних компонентів геотермальної системи. Третій компонент - джерело тепла, в ролі якого виступають або високотемпературні (понад 6000С) магматичні породи, що підіймаються на відносно невелику глибину (5-10 км), або звичайне тепло внутрішніх шарів земної кори. У першому випадку (магматичні породи) з високим геотермальним градієнтом утворюються високотемпературні пароутворюючі геотермальні системи. У другому - низькотемпературні геотермальні системи, що містять лише гарячу воду. Одна або більше геотермальних систем утворюють геотермальне поле або родовище.

2.4 Світовий потенціал геотермальної енергії

Земля містить у собі гігантські запаси енергії. Група експертів з Міжнародної асоціації геотермальної енергії провела оцінку запасів низько й високотемпературної енергії Землі. Результати цієї роботи представлені в таблиці.

Таблиця.2.2

Світовий потенціал геотермальної енергії

Території	Високотемпературні джерела, придатні для виробництва електроенергії	Низько-температурні джерела, придатні для прямого використання теплоти, ТДж/рік
	Традиційні технології, ТВт/рік	Традиційні й бінарні технології, ТВт/рік
Європа	1830	3700	370
Азія	2970	5900	320
Африка	1220	2400	240
Північна Америка	1330	2700	120
Латинська Америка	2800	5600	240
Океанія	1050	2100	110
Світовий потенціал	11200	22400	1400

2.5 Використання геотремальних джерел енергії

Аналіз можливих областей застосування в економіці України технологій, що використовують нетрадиційні джерела енергії, показує, що в Україні найбільш перспективною областю їх впровадження є системи життєзабезпечення будівель. При цьому вельми ефективним напрямом впровадження даних технологій в практику вітчизняного будівництва є широке застосування теплонаносних систем теплопостачання (ТСТ), що використовують як повсюдне доступне джерело низько потенційного тепла ґрунту поверхневих шарів землі.

При використанні тепла землі можна виділити два види теплової енергії - високопотенційну і низькопотенційну. Джерелом високопотенційної теплової енергії є гідротермальні ресурси - термальні води, нагріті в результаті геологічних процесів до високої температури, що дозволяє їх використовувати для теплопостачання будівель. Проте використання високопотенційного тепла землі обмежене районами з певними геологічними параметрами. У Росії це, наприклад, Камчатка, район Кавказьких мінеральних вод; у Європі джерела високопотенційного тепла є в Угорщині, Ісландії і Франції.

Україна має ресурси геотермальної енергії, загальний потенціал яких в програмі державної підтримки розвитку нетрадиційних та відновлюваних джерел енергії та малої гідро- та теплоенергетики оцінюється величиною 438 МВт.год за рік. Геотермальні ресурси України - це передусім термальні води і тепло нагрітих сухих гірських порід. Крім цього, до перспективних для використання в промислових масштабах можна віднести ресурси нагрітих підземних вод, які виводяться з нафтою та газом діючими свердловинами нафтогазових родовищ.

На відміну від «прямого» використання високопотенційного тепла (гідротермальні ресурси), використання низько потенційного тепла землі за допомогою теплових насосів можливо практично повсюдно. В даний час це один з напрямів використання нетрадиційних поновлюваних джерел енергії, що найдинамічніше розвиваються.

Низькопотенційне тепло землі може використовуватися в різних типах будівель і споруд багатьма способами: для опалювання, гарячого водопостачання, кондиціонування (охолоджування) повітря, обігріву доріжок в зимову пору року, для запобігання обмерзанню, підігріву полів на відкритих стадіонах і тому подібне.

Кліматичні характеристики країн Центральної і Північної Європи, які разом з США і Канадою є головними районами використання нізкопотенциального тепла землі, визначають головним чином потребу в опаленні; охолоджування повітря навіть в літній період потрібне відносно рідко. Тому, на відміну від США, теплові насоси в європейських країнах працюють в основному в режимі опалення. У США теплові насоси частіше використовуються в системах повітряного опалення, суміщеного з вентиляцією, що дозволяє як підігрівати, так і охолоджувати зовнішнє повітря. У європейських країнах теплові насоси зазвичай застосовуються в системах водяного опалення. Оскільки ефективність теплових насосів збільшується при зменшенні різниці температур випарника і конденсатора, часто для опалювання будівель використовуються системи підлогового опалення, в яких циркулює теплоносій низької температури (35-40 °C).

Більшість теплових насосів в Європі, призначених для використання нізкопотенциального тепла землі, обладнана компресорами з електричним приводом.

За останні десять років кількість систем, що використовують для теплопостачання і будівель низькопотенційне тепло землі за допомогою теплових насосів, значно збільшилася. Найбільше число таких систем використовується в США. Велике число таких систем функціонують в Канаді і країнах центральної і Північної Європи: Австрії, Німеччині, Швеції і Швейцарії. Швейцарія лідирує по величині використання низько потенційної теплової енергії землі на душу населення. У Росії, нашого сусіда, за останні десять років побудовані лише одиничні об'єкти.

Країна	Встановлена потужність, МВт	Вироблена енергія, ТДж/рік
Австралія	24	57,6
Австрія	228	1094
Болгарія	13,3	162
Великобританія	0,6	2,7
Венгрія	3,8	20,2
Німеччина	344	1149
Греція	0,4	3,1
Данія	3	20,8
Ісландія	4	20
Італія	1,2	6,4
Канада	360	891
Литва	21	598
Нідерланди	10,8	57,4
Норвегія	6,0	31,9
Польща	26,2	108,3
Росія	1,2	11,5
Словакія	1,4	12,1
Словенія	2,6	46,8
США	4800	12000
Турція	0,5	4,0
Фінляндія	80,5	484
Франція	48,0	255
Чехія	8,0	338,2
Швейцарія	300	1962
Швеція	377	4128
Японія	3,9	64,0
Всього	6 675,4	23 268,9

Табл.2.5.1 Світовий рівень використання низько потенційної теплової енергії з допомогою теплових насосів

Розвинуті країни світу використовують тепло геотермальних ресурсів не тільки на виробництво електроенергії, а безпосередньо у вигляді тепла: 42% для обігріву ван і басейнів; 23% для опалення; 12% для геотермальних теплових насосів; 9% для обігріву теплиць;

Очікується, що до 2011 року встановлена електрична потужність перевищить 14000 МВт. Однак навіть за умови застосування новітніх технологій у цій галузі кількість енергії, виробленої за рахунок геотермальних ресурсів в 2007 році, становила менше ніж 0,25% від світового потенціалу цього виду енергії, придатного для використання.

2.6 Утилізація і виробництво

Геотермальна енергія являє собою екологічно чисте й постійно відновлюване джерело енергії. Воно істотно відрізняється від інших альтернативних джерел тим, що його можна використовувати у різних кліматичних умовах і в різні пори року. Коефіцієнт використання геотермальних електростанцій, як правило, перевищує 90%. Ціна електроенергії, яку виробляють такі електростанції, нижча, ніж на електрику, вироблену з використанням інших відновлюваних джерел енергії. Якщо розглянути сумарний внесок у виробництво електроенергії геотермальної, вітрової й сонячної енергії, а також енергії припливів і відпливів, то виявиться, що 1998 році геотермальні станції охоплювали 42% встановлених потужностей і 70% від загальної кількості електроенергії, виробленої із цих чотирьох джерел.

Геотермальне тепло можна перетворити на електричну енергію або ж використати безпосередньо у вигляді тепла. Залежно від параметрів геотермальних ресурсів, електроенергія виробляється в традиційних парових турбінах, в які надходить геотермальна рідина, що має температуру не менше ніж 1500С, або ж в установках з бінарним циклом. Існують два основних типи парових турбін - з протитиском і конденсаційні. Перші простіші і дешевші. Однак питоме споживання пари на 1 кВт * год виробленої енергії майже вдвічі більше, ніж у конденсаційних турбінах при однаковому тиску на вході. Зате турбіни з протитиском швидко монтуються, період запуску в експлуатацію не перевищує 13-14 місяців. Як правило, такі турбіни мають невелику потужність (2,5-5 МВт). Турбіни конденсаційного типу забезпечуються великою кількістю додаткового обладнання. Вони набагато складніші й значно більшого розміру. Щоб їх запустити, потрібно вдвічі більше часу. Однак питоме споживання пари в них майже вдвічі менше, ніж у турбінах з протитиском. Зазвичай використовуються конденсаційні установки потужністю 55-60 МВт. Однак уже є приклади запуску турбін потужністю понад 100 МВт.

Значний прогрес досягнуто в технології, що використовує бінарний цикл. У цьому випадку може використовуватися вода, що має температуру 80-900С. подібні установки успішно працюють у багатьох країнах світу.

2.7 Екологічні аспекти

Широко відомо, що виробництво або трансформація енергії прямо або опосередковано впливає на довкілля. Це означає, що отримати ідеально чисту енергію в принципі неможливо. Однак геотермальна енергія, порівняно з іншими видами, є найчистішою. Кількість СО2, що виділяється при виробництві одного кіловата електроенергії з високотемпературних геотермальних джерел становить від 13 до 380 грамів. Водночас, при спаленні природного газу емісія СО2 дорівнює 450 г/кВт*год, нафти - 906 г/кВт*год і вугілля - 1042 г/кВт * год. Згідно останніх досліджень, викиди СО2 на геотермальних електростанціях становили в середньому 65 г/кВт*год виробленої електроенергії. Дослідження охоплювало більшу частину електростанцій сумарною встановленою потужністю 5032 МВт.

Нагріта геотермальна рідина може містити різні гази, головним чином азот і сірководень, а також у невеликих кількостях ртуть, радон і бор. Кількість цих газів залежить від хімічного складу геологічних родовищ. Однак хімічні сполуки, що містяться у геотермальному потоці, не викидаються в повітря, а повертаються назад углиб землі за допомогою спеціальних свердловин.

2.8 Геотермальна енергія. Стан і перспективи розвитку

На Україні є значні запаси термальних вод. Ці запаси вже сьогодні рентабельно використовувати не тільки для теплопостачання різноманітних споживачів, а й для виробництва електроенергії. Існуючі ціни на енергоносії і перспективи їх зростання, роблять економічно вигідними будівництво геотермальних електростанцій практично у всіх регіонах України найближчим часом.

Геотермальна енергія є одним із перспективних відтворюваних джерел енергії. Її давно і широко застосовують Ісландія, США, Нова Зеландія, Угорщина і багато інших країн.

Геотермальні води характеризуються багатьма факторами. Зокрема, за температурою вони поділяються на слаботермальні - до 40?С, термальні - 40 - 60?С, високо термальні - 60 - 100?С, перегріті - понад 100?С. Вони різняться й за мінералізацією, кислотністю, газовим складом, тисом, глибиною залягання.

Найпростішим економічним рішенням є безпосереднє використання геотермальних вод споживачами: не потрібно встановлювати додаткові теплообмінники і економиться водопровідна вода. Але цей спосіб придатний лише тоді, коли вода відповідає стандарту питної.

Найбільш перспективним способом відбору глибинної теплоти є створення підземних циркуляційних систем із повним або частковим поверненням відпрацьованої води в продуктивні пласти. Ці системи запобігають виснаженню запасів геотермальних вод, підтримують гідравлічну рівновагу в підземних пластах, запобігають забрудненню навколишнього середовища в місцях розташування геотермальних об'єктів. Відпрацьована термальна вода закачується назад у підземні горизонти, що зберігає екологічну чистоту регіону і забезпечує стабільність технологічного циклу [16].

Значно покращити ситуацію з теплопостачанням різноманітних споживачів дозволить використання потенціалу навіть слабо термальних (від +30?С і вище) вод, запаси яких у багатьох регіонах країни значні. Слабо термальні води дають хороші перспективи для використання тепло насосних установок у виробництві, комунальному господарстві, побуті.

По мірі заглиблювання в землю температура ґрунту в середніх широтах на глибині 3 - 5 метрів протягом року становить 10 - 30?С і вище.

Для розвитку геотермальної енергетики немає потреби створювати нові підприємства енергетичного машинобудування. Обладнання для геотермальних установок та систем можуть виготовляти існуючі заводи.

Показники ефективності геотермальних установок переважають паливні та атомні і при існуючих тарифах на тепло та електроенергію в найближчому часі можуть розвиватися за рахунок самофінансування. Повністю освоєною є технологія геотермального теплопостачання населених пунктів, сільськогосподарських об'єктів та невеликих підприємств [15].

На сьогодні науково-дослідні роботи з геотермальної енергетики виконуються згідно з Державною науково-технічною програмою „Екологічно чиста енергетика України”, яка затверджена постановою КМУ №100 від 17. 01.1996 року. Програма визначає декілька пріоритетних напрямків геотермальної енергетик: створення геотермальних станцій теплопостачання, створення Неотес, створення систем теплопостачання з підземним акумулюванням тепла, створення сушильних установок, створення геотермального теплопостачання теплиць.

2.9 Теплові насоси

2.9.1 Загальна характеристика

У природі, виробництві, сільському господарстві, побуті є значні запаси розсіяної низькотемпературної теплової енергії, яку можна ефективно використати. Для її концентрації застосовують теплові помпи (теплові помпові установки - ТПУ). Це пристрій, який за допомогою механічної або електричної енергії трансформує теплову енергію низького потенціалу в теплову енергію більш високих параметрів.

Сучасні ТПУ по принципу роботи розділяються на компресійні, абсорбційні і термоелектричні [15].

Джерелом низькотемпературної теплоти для ТПУ може бути природна теплота зовнішнього повітря, ґрунту, теплові відходи промислового і сільськогосподарського виробництва, геотермальна енергія. ТПУ економічно і екологічно вигідно використовувати у виробництві і побуті для опалення і гарячого водопостачання при сучасних цінах на енергоносії, не зважаючи на значні капітальні затрати при їх виготовленні. Хоча ТПУ не отримали в нас широкого застосування, із-за значних витрат і складності обладнання, але вони є дуже перспективними, оскільки дозволяють утилізувати практично будь-яку низькотемпературну теплоту. Практика показала, що найбільш ефективними на сьогодні є парокомпресійні тепло помпові установки.

Коефіцієнт корисної дії тепло помпової установки враховує не тільки дроселювання, але і втрати в трубопроводах, в обладнанні при перетворенні первинної енергії в приводному двигуні і передачі її до двигуна. Так, в даному випадку, при використанні електричної енергії для роботи ТПУ визначити ККД її можна з виразу:

, (2.1)

де - теплота, передана в конденсаторі;

- робота стискування в компресорі від тиску до ;

- коефіцієнт корисної дії теплового потоку, який враховує втрати енергії і робочого агента в трубопроводах і обладнанні ТПУ;

- електромеханічний коефіцієнт корисної дії двигуна і компресора;

- коефіцієнт корисної дії джерела, яке виробляє додаткову електроенергію;

- коефіцієнт корисної дії електричних ліній передач.

Для теплових насосів [17], що споживають електричну енергію, основною величиною, яка характеризує їх енергетичну ефективність є коефіцієнт перетворення - відношення отриманого для обігріву тепла до затраченої роботи :

. (2.2)

В більшості випадків теплові помпи використовують для опалення приміщення із значенням в межах від 2 до 3. Це означає, що на кожну кілокалорію затраченої роботи з допомогою теплового насосу отримують 2 - 3 кілокалорії тепла при температурі необхідній для опалення. Коли тепловий насос повинен незначно підняти температуру теплоносія (наприклад, випарні установки), коефіцієнт перетворення збільшується до 10 і вище.

Теплові помпи - це складні технічні установки. Строк окупності теплового насосу незначний, він коливається від 2 до 3 років у залежності від конкретних умов. Треба також зазначити, що СПТ вимагають точного підрахунку низькотемпературного джерела енергії, визначення кількості тепла для корисного споживання і механічної енергії для роботи помпи. Низькотемпературним джерелом звично застосовують ґрунт прилеглої ділянки, а також зовнішнє повітря [6].

Помпи тепла на сучасному етапі є найдешевшим джерелом тепла для обігрівання приміщень і гарячого водопостачання, тепловий насос постачає у 3 - 5 разів більше енергії, ніж витрачає[6].

2.9.2 Область використання теплових насосів

В якості природного джерела тепла для зимового опалення ґрунт використовують все частіше ніж повітря та воду, хоча загальне число таких теплових насосів ще порівняно невелике.

Дослідження показали, що умови теплопередачі в ґрунті залежать головним чином від його вологості [10].

Дуже важливим є велика ємкість джерела тепла низького потенціалу. При малій ємності приходиться знижувати температуру кипіння речовини для отримання достатньої кількості тепла від теплоносія. При цьому температура теплоносія помітно змінюється в процесі теплообміну, в той час як температура кипіння лишається постійною низькою.

2.9.3 Конструктивна схема компресійного теплового насоса

Практика зарубіжних країн, а також наших регіонів показує, що найбільш ефективними є на сьогодні є компресійні теплові насоси [17].

Компресійний тепловий насос складається з послідовно розташованих постачального насоса, контуру теплоносія, випарника, компресора та конденсатора, приєднаного через дросель з випарником. Постачальний насос качає теплоносій із оточуючого середовища в випарник, в якому міститься холодоагент, холодоагент відбирає від теплоносія тепло та надходить до компресора, в якому за рахунок стиснення його температура підвищується до температури вище температури конденсації. З компресора холодоагент надходить до конденсатора, в якому за рахунок конденсації холодоагент, надходить через дросель, у якому він розширюється та охолоджується нижче температури оточуючого середовища, в випарник.

Компресійний тепловий насос включає в себе постачальний насос, контур теплоносія, випарник, компресор та конденсатор; виконаний у вигляді 2n секцій , де n- 1, 2, 3 ,..., кожна з котрих складається з поєднаних між собою камер випарника, компресора та конденсатора, в поршні компресора розташовані ( n) клапанів, причому камери випарника та конденсатора поєднані через введення між ними гідроагрегату. Так як камера випарника безпосередньо об'єднана з тим об'ємом камер компресора, в якому відбувається розширення, то робота по тиску насиченого пару в камері компресора менше ніж у компресорі прототипу, а це приводить до збільшення ексергійного ККД теплового насоса. Крім того, оскільки дно камери конденсатора розташовано вище дна камери випарника насичений пар холодоагенту конденсуючись в конденсаторі здобуває додатково гравітаційну потенціальну енергію, яка в гідроагрегаті перетворюється у електроенергію, яка використовується для роботи компресора за рахунок чого, збільшується ексергійний ККД теплового насоса.

2.9.4 Робоче тіло теплових насосів

В якості робочого тіла теплового насоса можуть бути виконані речовини (суміші), які мають основні властивості [14]:

низьку нормальну (при атмосферному тиску) температуру випаровування з тим, щоб процес випаровування при підводі низько потенціальної теплоти (в області значень температур навколишнього середовища) проходив при тиску дещо перевищуючим атмосферний, для виключення можливості підсосу повітря в контур робочого тіла;

невисокий тиск конденсації при необхідній температурі нагріву з метою знизити вимоги до конструкції компресора, яка визначається степеню стиску; гнучкі вимоги до компресора, конденсатора, охолодника конденсатора і з'єднувальних провідників, зменшення втрати енергії, яка залежить від наближення параметрів конденсації до критичних параметрів;

високу теплоту пароутворення в робочому інтервалі температур, що обумовлює високі значення тепло виробництва і коефіцієнт перетворення;

не токсичність, незапалюваність, вибухонебезпечність;

високу хімічну стабільність, хімічну інертність по відношенню до конструктивних матеріалів і змащувальних матеріалів.

За робоче тіло приймаємо аміак, оскільки цю речовину цілеспрямовано використовувати тільки в тих випадках, коли необхідне тепло невисокого потенціалу, так як вже при 60?С тиск конденсації рівний 26.92 amм. При більш високих температурах конденсації температура кінця стиску може перевищити температуру спалаху масла.

Для використання аміаку в системах для виробництва тепла спеціально підвищують тиск конденсації чи пристроюють додаткову, так звану тепло насосну, ступінь стиску речовини.

2.9.5 Грунт як джерело низько потенційної теплової енергії

Як джерело низько потенційної теплової енергії можуть використовуватися підземні води з порівняно низькою температурою або ґрунт поверхневих (завглибшки до 400 м) шарів землі. Тепломісткість ґрунтового масиву в загальному випадку вища. Тепловий режим ґрунту поверхневих шарів землі формується під дією двох основних чинників - падаючої на поверхню сонячній радіації і потоком радіогенного тепла із земних надр. Сезонні і добові зміни інтенсивності сонячної радіації і температури зовнішнього повітря викликають коливання температури верхніх шарів ґрунту. Глибина проникнення добових коливань температури зовнішнього повітря і інтенсивності падаючої сонячної радіації залежно від конкретних ґрунтово-кліматичних умов коливається в межах від декількох десятків сантиметрів до півтора метра. Глибина проникнення сезонних коливань температури зовнішнього повітря і інтенсивності падаючої сонячної радіації не перевищує, як правило, 15-20 м.

Мал. 2.9.5.1 Графік зміни температури ґрунту залежно від глибини

Температурний режим шарів ґрунту, розташованих нижче за цю глибину («нейтральної зони»), формується під впливом теплової енергії, що поступає з надр землі, і практично не залежить від сезонних, а тим більше добових змін параметрів зовнішнього клімату (мал. 2.10.5.1). Із збільшенням глибини температура ґрунту зростає відповідно до геотермічного градієнта (приблизно 3 °C на кожних 100 м). Величина потоку радіогенного тепла, що поступає із земних надр, для різних місцевостей розрізняється. Для Центральної Європи ця величина складає 0,05-0,12 Вт/м2 .

2.9.6 Чинники, під впливом яких формується температурний режим ґрунту

У експлуатаційний період масив ґрунту, що знаходиться в межах зони теплового впливу регістра труб ґрунтового теплообмінника системи збору низько потенційного тепла ґрунту (системи теплозбору), внаслідок сезонної зміни параметрів зовнішнього клімату, а також під впливом експлуатаційних навантажень на систему теплозбору, як правило, піддається багатократному заморожуванню і розтаванню. При цьому, природно, відбувається зміна агрегатного стану вологи, ув'язненої в порах ґрунту і що знаходиться в загальному випадку як в рідкій, так і в твердій і газоподібній фазах одночасно. Інакше кажучи, ґрунтовий масив системи теплозбору, незалежно від того, в якому стані він знаходиться (у мерзлому або талому), є складною трифазною полідисперсною гетерогенною системою, «скелет» якої утворений величезною кількістю твердих частинок різноманітної форми і величини і може бути як жорстким, так і рухомим, залежно від того, чи міцно зв'язані між собою частинки або ж вини відокремлені один від одного речовиною в рухомій фазі. Проміжки між твердими частинками можуть бути заповнені мінералізованою вологою, газом, парою і мерзлою водою або тим і іншим одночасно. Моделювання процесів тепломасоперенесення, що формують тепловий режим такої багатокомпонентної системи, є надзвичайно складним завданням, оскільки вимагає обліку і математичного опису різноманітних механізмів їх здійснення: теплопровідності в окремій частинці, теплопередачі від однієї частинки до іншої при їх контакті, молекулярній теплопровідності в середовищі, що заповнює проміжки між частинками, конвекції пари і вологи, що містяться в поровом просторі, і багато інших.

Особливо слід зупинитися на впливі вологості ґрунтового масиву і міграції вологи в його паровому просторі на теплові процеси, що визначають характеристики ґрунту як джерела низько потенційної теплової енергії.

У капілярно-пористих системах, яким є ґрунтовий масив системи теплозбору, наявність вологи в паровому просторі надає помітний вплив на процес розповсюдження тепла. Коректний облік цього впливу на сьогоднішній день зв'язаний із значними труднощами, які перш за все пов'язані з відсутністю чітких уявлень про характер розподілу твердої, рідкої і газоподібної фаз вологи в тій або іншій структурі системи. До цих пір не з'ясовані природа сил зв'язку вологи з частинками скелета, залежність форм зв'язку вологи з матеріалом на різних стадіях зволоження, механізм переміщення вологи в паровому просторі.

За наявності в товщі ґрунтового масиву температурного градієнта молекули пари переміщаються до місць, що мають знижений температурний потенціал, але в той же час під дією гравітаційних сил виникає протилежно направлений потік вологи в рідкій фазі. Окрім цього, на температурний режим верхніх шарів ґрунту робить вплив волога атмосферних опадів, а також ґрунтові води.

2.9.7 Види теплообмінників

Ґрунтові теплообмінники пов'язують теплонасосне устаткування з ґрунтовим масивом. Окрім «витягання» тепла землі, ґрунтові теплообмінники можуть використовуватися і для накопичення тепла (або холоду) в ґрунтовому масиві. У загальному випадку можна виділити два види систем використання нізкопотенциальной теплової енергії землі:

- відкриті системи: як джерело низько потенційної теплової енергії використовуються ґрунтові води, що підводяться безпосередньо до теплових насосів;

- замкнуті системи: теплообмінники розташовані в ґрунтовому масиві; при циркуляції по ним теплоносія із зниженою щодо ґрунту температурою відбувається «відбір» теплової енергії від ґрунту і перенесення її до випарника теплового насоса (або, при використанні теплоносія з підвищеною щодо ґрунту температурою, його охолоджування).

Основна частина відкритих систем - свердловини, що дозволяють витягувати ґрунтові води з водоносних шарів ґрунту і повертати воду назад в ті ж водоносні шари. Зазвичай для цього влаштовуються парні свердловини. Достоїнством відкритих систем є можливість отримання великої кількості теплової енергії при низьких витратах. Проте свердловини вимагають обслуговування. Окрім цього, використання таких систем можливе не у всіх місцевостях. Головні вимоги до ґрунту і ґрунтових вод такі:

- достатня водопроникність ґрунту, що дозволяє поповнюватися запасам води;

- хороший хімічний склад ґрунтових вод (наприклад, низький вміст заліза), що дозволяє уникнути проблем, пов'язаних з утворенням відкладень на стінках труб і корозією. Схема такої системи приведена на малюнку .

Мал. 2.9.7.1 Схема відкритої системи використання низько потенційної енергії ґрунтових вод.

Замкнуті системи, у свою чергу, діляться на горизонтальні і вертикальні.

Горизонтальний ґрунтовий теплообмінник (у англомовній літературі використовуються також терміни «Ground heat collector» і «horizontal loop») влаштовується, як правило, поряд з будинком на невеликій глибині (але нижче за рівень промерзання ґрунту в зимовий час). Використання горизонтальних ґрунтових теплообмінників обмежене розмірами наявного майданчика.

У країнах Західної і Центральної Європи горизонтальні ґрунтові теплообмінники зазвичай є окремими трубами, покладеними відносно щільно і сполучені між собою послідовно або паралельно (мал. 4а, б). Для економії площі ділянки були розроблені вдосконалені типи теплообмінників, наприклад, теплообмінники у формі спіралі, розташованої горизонтально або вертикально (мал. 4д, 4е). Така форма теплообмінників поширена в США.

Якщо система з горизонтальними теплообмінниками використовується тільки для отримання тепла, її нормальне функціонування можливе тільки за умови достатнього приходу тепла з поверхні землі за рахунок сонячної радіації. З цієї причини поверхня вище за теплообмінники повинна бути направлена до дії сонячних променів.

Мал. 2.9.7.2 Види гориознтальних ґрунтових теплообмінників

Види горизонтальних ґрунтових теплообмінників:

а) - теплообмінник з послідовно сполучених труб; б) - теплообмінник з паралельно сполучених труб; в) - горизонтальний колектор, укладений в траншеї; г - теплообмінник у формі петлі; д - теплообмінник у формі спіралі, розташованої горизонтально (так званий «slinky» колектор); е - теплообмінник у формі спіралі, розташованої вертикально.

Вертикальні ґрунтові теплообмінник дозволяють використовувати низькопотенційну теплову енергію ґрунтового масиву, лежачого нижче за «нейтральну зону» (10-20 м від рівня землі). Системи з вертикальними ґрунтовими теплообмінниками не вимагають ділянок великої площі і не залежать від інтенсивності сонячної радіації, падаючої на поверхню. Вертикальні ґрунтові теплообмінники ефективно працюють практично у всіх видах геологічних середовищ, за винятком фрунтів з низькою теплопровідністю, наприклад, сухого піску або сухого гравію. Системи з вертикальними ґрунтовими теплообмінниками набули дуже широкого поширення.

Мал.2.9.7.3

Схема опалення і гарячого водопостачання житлового будинку за допомогою ТНУ з вертикальним ґрунтовим теплообмінником

Теплоносій циркулює по трубах (найчастіше поліетиленових або поліпропіленових), укладених у вертикальних свердловинах завглибшки від 50 до 200 м. Зазвичай використовується два типи вертикальних ґрунтових теплообмінників:

- U-подібний теплообмінник, що є двома паралельною трубою, сполученою в нижній частині. У одній свердловині розташовуються одна або дві (рідше три) пари таких труб. Перевагою такої схеми є відносно низька вартість виготовлення. Подвійні U-подібні теплообмінники - найбільш широко використовуваний в Європі тип вертикальних ґрунтових теплообмінників.

- Коаксиальний (концентричний) теплообмінник. Простим коаксиальним теплообмінником є дві труби різного діаметру. Труба меншого діаметру розташовується усередині іншої труби. Коаксиальні теплообмінники можуть бути і складніших конфігурацій.

Для збільшення ефективності теплообмінників простір між стінками свердловини і трубами заповнюється спеціальними теплопровідними матеріалами.

Системи з вертикальними ґрунтовими теплообмінниками можуть використовуватися для тепло- і холодопостачання будівель різних розмірів. Для невеликої будівлі достатньо одного теплообмінника; для великих будівель може бути потрібно ціла група свердловин з вертикальними теплообмінниками.. Вертикальні ґрунтові теплообмінники коледжу «Richard Stockton College» в США розташовуються в 400 свердловинах завглибшки 130 м. У Європі найбільше число свердловин (154 свердловини завглибшки 70 м) використовуються в системі тепло- і холодопостачання центрального офісу Німецької служби управління повітряним рухом («Deutsche Flug-sicherung»).

Окремим випадком вертикальних замкнутих систем є використання як ґрунтових теплообмінників будівельних конструкцій, наприклад фундаментних паль із замоноліченними трубопроводами. Переріз такої палі з трьома контурами ґрунтового теплообмінника приведений на малюнку 2.9.7.4.

При експлуатації ґрунтового теплообмінника може виникнути ситуація, коли за час опалювального сезону температура ґрунту поблизу ґрунтового теплообмінника знижується, а в літній період ґрунт не встигає прогрітися до початкової температури - відбувається пониження його температурного потенціалу. Споживання енергії протягом наступного опалювального сезону викликає ще більше пониження температури ґрунту, і його температурний потенціал ще більше знижується. Це примушує при проектуванні систем використання низько потенційного тепла землі розглядати проблему «стійкості» (sustainability) таких систем.

Мал.2.9.7.4

Схеми ґрунтових теплообмінників замонолічених в фундаментні палі будівлі, та поперечний переріз такої палі

2.9.8 "Стійкість" систем використання низько потенційного тепла землі

При експлуатації ґрунтового теплообмінника може виникнути ситуація, коли за час опалювального сезону температура ґрунту поблизу ґрунтового теплообмінника знижується, а в літній період ґрунт не встигає прогрітися до початкової температури - відбувається пониження його температурного потенціалу. Споживання енергії протягом наступного опалювального сезону викликає ще більше пониження температури ґрунту, і його температурний потенціал ще більше знижується. Це примушує при проектуванні систем використання низько потенційного тепла землі розглядати проблему «стійкості» (sustainability) таких систем.

Часто енергетичні ресурси для зниження періоду окупності устаткування експлуатуються дуже інтенсивно, що може привести до їх швидкого виснаження. Тому необхідно підтримувати такий рівень виробництва енергії, який би дозволив експлуатувати джерело енергетичних ресурсів тривалий час. Ця здатність систем підтримувати необхідний рівень виробництва теплової енергії тривалий час називається «стійкістю. Для систем використання низько потенційного тепла землі дано наступне визначення стійкості : «Для кожної системи використання низько потенційного тепла землі і для кожного режиму роботи цієї системи існує деякий максимальний рівень виробництва енергії; виробництво енергії нижче за цей рівень можна підтримувати тривалий час (100-300 років)». [ORKUSTOFNUN Working Group, Iceland (2001): Sustainable production of geothermal energy - suggested definition. IGA News no. 43. January-March, 2001. 1-2.]

Проведені в дослідження показали, що споживання теплової енергії з ґрунтового масиву до кінця опалювального сезону викликає поблизу регістра труб системи теплозбору пониження температури ґрунту, яке в ґрунтово-кліматичних умовах більшої частини території України не встигає компенсуватися в літній період року, і на початок наступного опалювального сезону ґрунт виходить із зниженим температурним потенціалом. Споживання теплової енергії протягом наступного опалювального сезону викликає подальше зниження температури ґрунту, і на початок третього опалювального сезону його температурний потенціал ще більше відрізняється від природного. І так далі. Однак криві теплового впливу багаторічної експлуатації системи теплозбору на природний температурний режим ґрунту мають яскраво виражений експоненціональний характер, і до п'ятого року експлуатації ґрунт виходить на новий режим, близький до періодичному, тобто, починаючи з п'ятого року експлуатації, багаторічне споживання теплової енергії з ґрунтового масиву системи теплозбору супроводжується періодичними змінами його температури. Таким чином, при проектуванні теплонаносних систем теплопостачання є необхідним облік падіння температур ґрунтового масиву, викликаного багаторічною експлуатацією системи теплозбору, і використання як розрахункові параметри температур ґрунтового масиву, очікуваних на 5-й рік експлуатації ТСУ .

У комбінованих системах, використовуваних як для тепло-, так і для холодопостачання, тепловий баланс відновлюється «автоматично»: у зимовий час (потрібне теплопостачання) відбувається охолодження ґрунтового масиву, в літній час (потрібний холодопостачання) - нагрів ґрунтового масиву. У системах, використовуючих низькопотенційне тепло ґрунтових вод, відбувається постійне поповнення водних запасів за рахунок води, що просочується з поверхні, і води, що поступає з глибших шарів ґрунту. Таким чином, тепломісткість ґрунтових вод збільшується як «зверху» (за рахунок тепла атмосферного повітря), так і «знизу» (за рахунок тепла землі); величина теплопонадходжень «зверху» і «знизу» залежить від товщини і глибини залягання водоносного шару. За рахунок цих теплонадходжень температура ґрунтових вод залишається постійною протягом всього сезону і мало змінюється в процесі експлуатації.

У системах з вертикальними ґрунтовими теплообмінниками ситуація інша. При відведенні тепла температура ґрунту навколо ґрунтового теплообмінника знижується. На пониження температури впливають як особливості конструкції теплообмінника, так і режим його експлуатації. Наприклад, в системах з високими величинами теплової енергії (декілька десятків Ватт на метр довжини теплообмінника), що відводиться, або в системах з ґрунтовим теплообмінником, розташованим в ґрунті з низькою теплопровідністю (наприклад, в сухому піску або сухому гравії) пониження температури буде особливо помітним і може привести до замерзання ґрунтового масиву навколо ґрунтового теплообмінника.