Впервые об энергетических сваях заговорили в Швейцарии в начале 1990х гг., а первые здания, опирающиеся на ЭС, построены в Германии [1] в конце прошлого века. С тех пор во многих странах мира возводятся дома, в основании которых находятся ЭС. Рассмотрим некоторые примеры использования ЭС в офисных зданиях. На рис. 1 показано здание Энергетического форума, построенного в центре Берлина. Это здание площадью около 21 тыс. м2 было построено в 2003 г., и на его сооружение потрачено 55 млн евро. Оно опирается на 198 ЭС, каждая из которых заглублена на 8,5 м. Внутри каждой сваи размещены две U-образные полиэтиленовые петли, подобные тем, что устанавливают в вертикальных грунтовых теплообменниках, которые обычно устраивают для отбора тепла, используемого в отопительных системах коттеджей. Общая длина трубок составляет 6732 м. Тепловая мощность теплового насоса составляет 100 кВт. Это означает, что с одного квадратного метра полиэтиленовой трубы, установленной внутри сваи, снимается около 15 Вт тепловой мощности, а на 1 м сваи приходится около 60 Вт. Тепло, отнятое от грунта, передается в офисные помещения через греющие бетонные панели общей площадью 4100 м2. Эти же панели служат для летнего охлаждения здания. При этом холодильные машины работать не должны, потому что используется холодоноситель, охлажденный в трубках ЭС.В связи с использованием низкотемпературных отопительных панелей в этом здании достигнут высокий коэффициент преобразования, средняя величина которого составляет 5,6. Вместе с тем, срок окупаемости затрат, связанных с устройством ЭС и тепловых насосов, чуть меньше 15 лет. Стоимость этих устройств 171 718 евро, а экономия эксплуатационных расходов на отопление и охлаждение составляет 11 517 евро/год. Следует отметить, что тепловой поток от ЭС составляет лишь 17 % тепловой мощности отопительной системы здания, а остальное тепло поступает из городской теплотрассы. В другом здании [2], построенном в Германии в 1999 г. (рис. 2), глубина свай достигает 50 м. В 112и сваях, диаметр которых 1,5–1,8 м, размещено 80 км труб, по которым циркулирует вода. Общая площадь помещений здания составляет 101 705 м2. В нем работают две с половиной тысячи служащих. Несмотря на то, что в здании установлена когенерационная установка, ее электрической мощности недостаточно для обеспечения потребностей в холоде для системы кондиционирования. Поэтому часть холодильной нагрузки покрывается за счет ЭС, из которых летом извлекается холод без использования холодильных машин. В здании запроектированы также устройства, позволяющие накапливать зимний холод. Для этого использованы полости, специально выполненные в фундаментной плите здания, толщина которой составляет 3,8 м. В зимнее время в эти полости закачивают охлажденный наружным воздухом теплоноситель, который используют летом в системе кондиционирования. Зимой ЭС здания используются для теплоснабжения с преобразованием теплоты грунта в тепловом насосе тепловой мощностью 500 кВт. Совершенно иначе решена задача отбора теплоты грунта в здании библиотеки технического университета и университета искусств, построенном в Берлине в 2004 г. (рис. 3). В этом здании нет свай. Поэтому тепло грунта извлекается при помощи замоноличенных в фундаментную плиту трубок диаметром 25 мм. Площадь фундаментной плиты здания составляет 8000 м2, а общая длина трубок, уложенных с шагом 45 см, равна 21 300 м. Трубки образуют 126 параллельных контуров. В здании установлен тепловой насос тепловой мощностью 80 кВт. Низкотемпературный теплоноситель, подаваемый тепловым насосом, используется в панельной системе отопления, которая летом работает в режиме охлаждения при неработающей холодильной машине. Общая площадь отопительно-охладительных потолочных панелей составляет 7700 м2. Теплоотдача потолочных панелей составляла базисную часть отопительной нагрузки здания, в то время как пиковые нагрузки компенсировались тепловым потоком из городской тепловой сети. При проектировании здания предполагалось, что тепловой поток от грунта в систему зимой будет сбалансирован обратным тепловым потоком от системы в грунт в летний период. Но оказалось, что за год в грунт уходило в 3,5 раза больше тепла, чем из него извлекалось. Этот дисбаланс объясняется тем, что помещения библиотеки были оснащены более энергоемким, чем первоначально предполагалось, технологическим оборудованием. Чтобы ликвидировать этот дисбаланс, пришлось дополнительно устанавливать холодильную машину, охлаждающую внутренний воздух. Вот еще несколько примеров использования ЭС в строительстве современных зданий. В голландском поселке Veenendaal построено офисное здание общей площадью 10 000 м2. Свайный фундамент этого здания включает в себя 350 свай, из которых 150 выполняют функции ЭС. Для того, чтобы работа одной ЭС не влияла на эффективную работу другой, они расположены друг от друга на расстоянии от 5 до 10 м. Тепловая мощность теплового насоса в этом здании составляет 100 кВт. В одном из оксфордских колледжей австрийской компанией Enercret выполнена отопительно-охладительная система, включающая в себя 15 ЭС диаметром 750 мм длиной 12,5 м, 14 ЭС диаметром 600 мм длиной 12,5 м и 61 ЭС диаметром 450 мм и длиной 5 м. Общая длина вложенных в эти сваи труб диаметром 20×2 мм, выполненных из полиэтилена высокой плотности, составляет 6100 м. Все эти ЭС обеспечивают выработку тепла и холода в количествах, указанных в табл. 1.Других источников тепла и холода в здании нет. Тепло и холод подаются в помещения через потолочные бетонные панели с замоноличенными в них полиэтиленовыми трубами. 80 % необходимого для кондиционирования воздуха холода подается в панели непосредственно из ЭС. Только после того, как температура холодоносителя, подаваемого из ЭС, превысит 19 °C, включается тепловой насос, который в это время работает как холодильная машина. Средняя температура жидкости, циркулирующей через ЭС, колеблется в интервале от +1 °C зимой до +27 °C в летний период. На рис. 4 показан арматурный каркас ЭС оксфордского здания с установленными в нем полиэтиленовыми трубами. Трубы образуют один циркуляционный контур, из которого наружу выходят только два патрубка, защищенные кожухом. В то же время, на других объектах, где используют ЭС большей длины, в одной свае могут быть две и больше петель полиэтиленовых труб. Перед началом бетонирования трубы испытывают гидравлическим давлением, равным 7 бар, а процесс бетонирования ведут аккуратно, чтобы не повредить трубы. Концевые участки трубопроводного контура герметично закрывают колпаками, защищающими трубы от попадания в них грязи. Развитие технологий использования теплоты грунта при помощи ЭС в некоторых странах сопровождается научными исследованиями. В самом начале первого для вновь построенного здания отопительного периода температура грунта имеет характерное для природных условий значение +10 °C, но уже 1 ноября температура грунта вблизи ЭС падает до +4 °C, а к марту она опускается почти до нуля, в то время как на расстоянии 5 м от ЭС температура грунта остается близкой к своему естественному уровню. Поэтому тепловой поток от грунта к свае, расположенной на расстоянии более 10 м, практически не зависит от работы соседних ЭС. Японские исследователи провели эксперимент [4] на специальном полигоне, где было установлено 2 ЭС диаметром 1500 мм и высотой 20 м. В каждой свае замоноличены 8 U-образных петель из полиэтиленовых труб диаметром 34×2,6 мм. Тепловой насос тепловой мощностью 5,7 кВт в течение всего года с помощью фанкойлов и излучающих панелей поддерживал комфортный микроклимат в двух помещениях общей площадью 35 м2. Система работала ежедневно (кроме субботы и воскресенья) от 9 до 18 ч и обеспечивала отопление в декабре-марте и охлаждение с июня по сентябрь. Исследования показали, что в режиме отопления с 1 м ЭС можно отбирать в среднем, около 50 Вт или 3–3,5 Вт, если этот тепловой поток относить к 1 м полиэтиленовой трубы, замоноличенной в ЭС. В режиме охлаждения помещений, при котором температурный напор процесса теплообмена в грунте характеризуется более высокими, чем зимой, значениями, удельная величина теплового потока от ЭС в грунт достигает в среднем 110 Вт/м. Коэффициент преобразования теплового насоса в японском эксперименте составил в среднем за отопительный период величину 4,89. Это в 1,7 раз выше, чем в обычно используемом в Японии тепловом насосе, работающем на теплоте атмосферного воздуха. Японские исследователи, не ограничившись получением теплотехнической информации, сделали экономический анализ, сопоставив стоимости устройства ЭС с восемью U-образными трубками и вертикального грунтового теплообменника (ВГТ) обычного типа с двумя такими трубками. В табл. 2 приводятся результаты этого анализа. В то же время, германский источник [5] сообщает, что стоимость одного метра ЭС колеблется в интервале от 17 до 28 евро, в то время как удельная стоимость ВГТ составляет 45–70 евро/м.Отличие германских цен от японских можно объяснить не только географической отдаленностью этих стран друг от друга, но и конструктивными особенностями оцениваемых в этих странах энергетических свай. Отчетливо осознавая, что денежные единицы в Японии и Германии — это не совсем то же самое, что эти же единицы в Украине и России, примем все же выполненные зарубежными специалистами экономические оценки (за неимением собственных) в качестве примерного ориентира стоимости энергетических свай и грунтовых теплообменников в зданиях с тепловыми насосами. Опираясь на зарубежный опыт, одна из киевских компаний начала строительство офисного здания с использованием ЭС. На рис. 4 показан начальный этап строительства. Полиэтиленовые U-образные трубки заведены на глубину 15 м. Когда здание будет построено, через них будет прокачиваться гликоль, посредством которого зимой предполагается отбирать теплоту грунта, а в теплое время года через них будет отводиться теплота конденсации холодильных машин системы кондиционирования. ❏ 1. Energy piles as an efficient way to store heat — CADDET Energy Efficiency, 2000 2. Табунщиков Ю.А., Бродач М.М., Шилкин Н.В. Энергоэффективные здания. — М.: АВОКПресс, 2003 3. Cooling and heating with Geothermal energy using enercret thermoaсtive foundations (energy piles). — Enercret, Austria, 2004 4. Ryozo Ooka, Kentaro Sekine, Mutsumi Yokoi, Yoshiro Shiba, SuckHo Hwang, Development of a ground source heat pump system with Ground heat exchanger utilizing the castinplace concrete pile foundations of a building. — Tokyo, 2004 5. Schnuerer H., Sasse C., Fisch M.N.. Thermal Energy Storage in Office Buildings Foundations. — Braunschweig, Institute for Building Services and Energy Design, 2005.