Геотермальное отопление лаборатории возобновляемой энергетики СФУ
После проведения Универсиады рядом с Сибирским федеральным университетом осталось здание контрольно-пропускного пункта. Университет решил переоборудовать его в «Зелёную станцию» — учебную лабораторию возобновляемых источников энергии.
Внутри разместили действующее оборудование и учебные стенды, на которых студенты могут изучать работу тепловых насосов, солнечных панелей и ветряных электрогенераторов не только по схемам, но и на практике.
Компания REHPRO занималась проектированием и монтажом геотермального отопления для здания: от устройства геоконтура и прокладки коммуникаций до установки теплового насоса, тёплых полов и системы пассивного охлаждения.
Рабочая инженерная система вместо учебного макета
Главная особенность проекта заключалась в том, что геотермальная система должна была одновременно решать две задачи.
Первая — отапливать и охлаждать здание лаборатории. Вторая — служить полноценным учебным стендом, на котором студенты могли бы наблюдать за работой оборудования, изменять параметры и сравнивать эффективность разных контуров.
Поэтому система проектировалась не как закрытый технический узел. В ней предусмотрели возможность регулировать расходы теплоносителя, получать данные с датчиков и анализировать работу отдельных скважин.
13 скважин разной глубины
Для геотермального контура пробурили 13 скважин общей длиной 364 метра.
Обычно глубину и количество скважин подбирают исходя из требуемой мощности теплового насоса и характеристик грунта. На этом объекте скважины также стали частью образовательной программы, поэтому их сделали разными:
- малой глубины — около 15 метров
- средней глубины — 26–30 метров
- глубокие — до 70 метров.
Такое решение позволяет студентам сравнивать, как глубина скважины, температура теплоносителя и его расход влияют на количество получаемого тепла.
Все контуры соединены с общим коллектором геотермальной системы. На нём можно отдельно регулировать расход теплоносителя через каждую скважину.
Монтаж в узком коридоре под брусчаткой
Прокладку геоконтура и канализации нужно было выполнить в ограниченном пространстве между существующими конструкциями.
Коммуникации проходили под брусчаткой в достаточно узком коридоре. Работать тяжёлой техникой и свободно распределять трассы по территории было невозможно, поэтому расположение труб и последовательность монтажа пришлось заранее согласовать в проекте.
Дополнительной сложностью стала погода. Во время работ несколько раз проходили сильные ливни, которые затапливали подготовленные участки и траншеи. Воду приходилось откачивать, восстанавливать рабочую зону и только после этого продолжать монтаж.
Несмотря на ограничения, геотермальный контур и наружные коммуникации были выполнены в предусмотренных проектом границах.
Тепловой насос мощностью 19 кВт
Источником отопления стал тепловой насос Thermex Energy мощностью 19 кВт российского производства.
По трубам геотермального контура циркулирует незамерзающий теплоноситель. Он получает низкопотенциальное тепло от грунта и передаёт его тепловому насосу.
Тепловой насос повышает температурный уровень и направляет энергию в систему отопления здания.
При этом в лаборатории установлена учебная модель теплового насоса. На ней студенты могут имитировать разные режимы работы и изучать физические процессы, которые происходят внутри фреонового контура.
Тёплые полы в двух частях здания
Здание состоит из двух отдельных половин. В каждой части смонтирована собственная система водяного тёплого пола.
Для независимой работы зон установили два циркуляционных насоса и два распределительных коллектора. Каждый коллектор подаёт теплоноситель в отдельные контуры напольного отопления.
На коллекторах предусмотрены расходомеры. С их помощью можно настроить количество теплоносителя, проходящего через каждый контур, и сбалансировать систему отопления.
Для учебных целей в лаборатории также представлены чертежи раскладки тёплого пола с указанием длины и количества контуров. Студенты могут сопоставить проектную схему с реально работающей системой.
Пассивное охлаждение от геоконтура
В тёплое время года геотермальный контур используется для пассивного охлаждения здания.
Прохлада грунта передаётся через теплообменное оборудование в систему канального охлаждения, после чего подготовленный воздух распределяется по помещениям.
Так одна и та же система работает круглый год:
- зимой геоконтур служит источником энергии для отопления
- летом используется для охлаждения помещений.
Студенты могут наблюдать за переключением режимов и оценивать параметры системы в разные периоды эксплуатации.
Система датчиков и мониторинга
Чтобы геотермальная установка выполняла образовательную функцию, к ней подключили программно-измерительный комплекс.
Датчики фиксируют:
- температуру теплоносителя на подаче
- температуру на обратной линии
- расход в отдельных контурах
- изменение параметров системы во времени.
Программное обеспечение строит графики и позволяет сравнивать работу скважин разной глубины.
На основании температуры подачи, температуры обратки и расхода теплоносителя студенты могут оценивать тепловую мощность отдельных контуров и видеть, как меняется теплоотдача геотермальных скважин при разных условиях.
Таким образом, лаборатория показывает не условную модель, а работу настоящей системы геотермального отопления с измеряемыми параметрами.
Лаборатория возобновляемых источников энергии
Геотермальная установка стала частью общего комплекса «Зелёной станции» СФУ.
Помимо теплового насоса, в лаборатории предусмотрены стенды для изучения других возобновляемых источников энергии:
- солнечных панелей
- зависимости выработки электроэнергии от угла наклона
- влияния движения воздуха
- работы ветряного электрогенератора.
Это позволяет студентам изучать не отдельное оборудование, а разные способы получения и использования энергии в рамках одного объекта.
Работа на объекте с федеральным финансированием
Проект выполнялся за счёт федерального бюджета. Перед началом проектных и монтажных работ компания REHPRO прошла предусмотренные для такого объекта процедуры проверки и допуска.
Для государственного образовательного объекта особенно важны точность проектной документации, соответствие выполненных работ проекту и возможность последующего контроля инженерных систем.
В результате университет получил не только действующую систему отопления и охлаждения, но и полноценную практическую лабораторию.
Результат
На объекте спроектировали и смонтировали:
- геотермальный контур из 13 скважин
- скважины разной глубины — от 15 до 70 метров
- общий геотермальный метраж 364 метра
- тепловой насос мощностью 19 кВт
- водяные тёплые полы в двух частях здания
- отдельные насосы и коллекторы отопления
- систему пассивного охлаждения
- датчики температуры и расхода
- программный комплекс для анализа работы геоконтура
- наружные инженерные коммуникации и канализацию.
Бывшее здание КПП превратилось в действующую лабораторию возобновляемых источников энергии.
Здесь студенты Сибирского федерального университета могут увидеть полный цикл работы геотермального отопления: от скважин и движения теплоносителя до отопления помещений, пассивного охлаждения и анализа показаний оборудования.