Ученые из Автономного университета Нижней Калифорнии и Автономного университета штата Морелос в Мексике сравнили два типа спиральных теплообменников для геотермальных систем — вертикальный и горизонтальный. Их работа позволила поставить точку в давнем профессиональном споре о том, какая конструкция обеспечивает более высокую эффективность и большую выгоду с точки зрения затрат.
Спиральные теплообменники представляют собой полиэтиленовые трубы, уложенные в землю в форме спирали. По ним циркулирует вода, которая зимой забирает тепло грунта, а летом отдает его. Таким образом система работает как источник энергии для отопления и охлаждения зданий. От ее эффективности зависит, сколько тепла удастся извлечь, сколько электроэнергии потребуется для перекачки воды и насколько оправданным будет проект с экономической точки зрения.
Инженеры и проектировщики при выборе конструкции сталкиваются с дилеммой. Горизонтальные теплообменники проще и дешевле в установке: их можно уложить в траншеи на глубину всего 1–2 метра и подключить к тепловому насосу. Однако они требуют больших земельных площадей и сильно зависят от сезонных колебаний температуры в верхних слоях почвы. Вертикальные же теплообменники уходят вглубь на 10 и более метров, где температура грунта остается постоянной круглый год. Они дают более стабильный результат и не зависят от климата, но их монтаж требует бурения, что заметно увеличивает стоимость.
Чтобы понять, какой вариант рациональнее, исследователи построили численные модели обоих теплообменников и проверили их точность на данных реальных экспериментов. В работе использовалось программное обеспечение ANSYS Fluent, а параметры моделирования включали пять вариантов шага спирали — от 5 до 40 сантиметров — и три скорости потока воды — 0,05, 0,1 и 0,15 метра в секунду. Ключевыми критериями оценки стали количество передаваемого тепла и перепад давления, напрямую влияющий на энергозатраты насоса.
Результаты испытаний зафиксировали преимущества вертикальных теплообменников над горизонтальными во всех сценариях. При одинаковых условиях они обеспечивали на 18–19% больше теплопередачи и при этом демонстрировали меньший перепад давления. Это означает, что такие системы не только эффективнее, но и экономичнее в эксплуатации: насосу требуется меньше энергии для прокачки теплоносителя.
Влияние шага спирали оказалось двойственным. Чем плотнее уложены витки, тем больше поверхность теплообмена и выше отдача тепла. Но вместе с этим резко растет длина трубы и сопротивление потоку, что увеличивает и стоимость установки, и нагрузку на насос. Так, при уменьшении шага с 40 до 5 сантиметров теплопередача возрастала почти вдвое, но давление в системе увеличивалось в 4–5 раз. Оптимальным решением оказался шаг в 10 сантиметров: он обеспечивал высокую эффективность при приемлемых потерях давления и умеренной длине трубопровода.
Скорость движения воды также влияла на результат. Увеличение ее с 0,05 до 0,15 метра в секунду повышало теплопередачу примерно на 30%, но при этом заметно возрастали гидравлические потери. Для практического применения это означает, что слишком высокие скорости нецелесообразны: выигрыш в тепле компенсируется дополнительными энергозатратами.
Таким образом, наиболее сбалансированным вариантом признаны спиральные теплообменники с шагом спирали около 10 сантиметров и умеренной скоростью потока воды. Эта работа предоставляет инженерам и проектировщикам необходимые точные данные для принятия решений при создании энергоэффективных геотермальных систем для зданий.
