Оползотворяване на геотермална енергия в тунели

Включването на топлообменници в подземната част от инфраструктурата (геоструктурите) е сравнително нова, устойчива технология за съхранение и прехвърляне на геотермална енергия, която се използва за отопление и охлаждане на околни сгради. Подходящите, интегрирани в геоструктурите, системи за оползотворяване на енергията на земята, осигуряват не само значителни икономии в дългосрочен план в сравнение с конвенционални енергийни системи, но също така имат важен принос за опазване на околната среда, намаляване на употребата на енергия от изкопаеми горива и минимизиране на въглеродния отпечатък на изградените структури.

Директни геотермални системи
Традиционните геотермални енергийни системи изискват сондажи в дълбоки земни слоеве, където топлинната енергия е много по-голяма, така че да произвеждат горещи флуиди, задвижващи турбини, които произвеждат електроенергия. Наскоро, обнадеждаващо развитие постигнаха повърхностните геотермални енергийни системи (т.е. директни ), използващи геоструктури като фундаменти и тунели. Те използват комплекса от свързани земя и бетон в качеството на топлообменни единици. Тези системи показват по-голям потенциал, в сравнение с традиционните системи от гледна точка на устойчивост в дългосрочен план, достъп, гъвкавост и икономичност. Директното използване на геотермална енергия се основава на принципа за оползотворяване на природния потенциал на земните недра като източник на топлинна енергия и резервоар за съхранението й.

Чрез предварително интегриране на абсорберни тръби в сглобяеми сегменти на бетонната конструкция на тунела или чрез поставянето им на място като обшивка, тунелите за метро, канализация и други услуги се превръщат в структури за извличане на енергия от околната почва. Тези геоструктури, в чиито тръби циркулира флуид за пренасяне на топлина, се наричат термично активирани. Енергията им може да се използва за отопление и охлаждане на сгради над земята. Обикновено добивът на енергия варира от 10 до 30W на квадратен метър от тунелната повърхност. Включването на тази технология в проектирането на тунел може да бъде по-ефективно от традиционните енергийни системи със земен източник със сондажи и помага за разширяване възможностите на инфраструктурата.

Абсорберните тръби от полиетилен с кръстосани връзки и висока плътност се събират, поддържани от стоманена мрежа, образувайки модул. Тези модули се вграждат в бетона преди изливането за формиране на тунелните пръстени (сегменти). Инсталирането става с тунелопробивна машина. Обикновено 7 сегмента образуват пръстен. Абсорберните тръби от всеки пръстен се свързват радиално, за да образуват непрекъсната система с помощта на специални фитинги за здрав и бърз монтаж.

Енергийна ефективност на геотермалното отопление и охлаждане
Съвременните сгради са проектирани с много по-високо ниво на изолация с цел да се запази топлината през зимата и да се намалят разходите за отопление и въглеродните емисии. Отчасти, като резултат от тази зимна ефективност се показва тенденция към прегряване през лятото. Стандартният отговор на прегряване с конвенционална система за охлаждане се бори срещу основния принцип във физиката топлината да се пренася естествено от по-горещи към по-студени места. Температурата на въздуха навън обикновено е по-висока от тази в сградите през лятото и когато искаме охлаждане вътре, движението на топлина трябва да е обратно на естественото. Това може да стане само с използване на енергия и има своите недостатъци от икономическа и екологична гледна точка. По същия начин е и с отоплението.

За щастие сега има алтернативен начин за осигуряване на охлаждане и отопление на сградите, който е основан на естествения принцип на пренасяне на топлината и следователно е по-евтин, изисква по-малко енергия и отделя по-малко въглеродни емисии. Той става възможен чрез геотермалните системи за отопление и охлаждане (GSHC). Те пренасят топлината от топлите сгради до по-хладната земя през лятото и обратно през зимата – естествено движение. В този тип климатизация се изразходва енергия само за работата на циркулационната помпа, която движи топлоносителя в тръбите. Предимство на естествено охлаждане е, че системата може да осигури през зимата естествено отопление.

Схеми на работа
Има две работни схеми за използване на геотермална енергия в тунели – извличане на енергия и променлива в сезоните работа, свързана със съхраняване на енергия за охлаждане и отопление. При схемата единствено с извличане на геотермална енергия енергийният поток се движи само в една посока, например за отопление през зимата. Сезонната схема пък използва термодинамичната инерция на почвата за съхраняване на топлинната енергия в земята за по-късно функциониране на системата с обръщащ се енергиен поток. Вследствие, сезонната работа може да оползотвори енергийния ресурс на Земята както през отоплителния сезон, така и през сезона за охлаждане. Затоплянето става като топлоносителят (въздух или вода) отдава топлината от почвата пренесена чрез флуид с ниска температура на кипене, чрез топлообменници, монтирани обикновено на стените или в пода на сградите. При охлаждането се работи в обратен цикъл, а топлообменниците са най-често на стените или тавана на сградите. Тъй като движението на топлината е естествено, е необходима електроенергия само за работа на помпата, движеща топлоносителя в системата. Тези технологии се приемат като най-високо ниво на развитие при климатизация на сгради.

Особености на системите, проектиране, избор
За да работят ефективно топлообменните геоструктури, температурата на земята трябва да бъде по-висока от температурата на въздуха през зимата и по-ниска от температура на въздуха през лятото. Това изисква сравнително постоянна температура и знания за температурния режим на почвата в дадена област, за да се проектира система, която работи ефективно при конкретните условия. Използването на геотермална енергия чрез геоструктури следва да се вземе предвид в най-ранните етапи на проектиране, тъй като разпределението на топлинна система трябва да отговори на нуждите на потребителите и да се осигурят разумни граници на ефективност в работата на термопомпите при относително малките температурни разлики.

Подпочвените води са друго важно условие, което има решаващо влияние върху избора на система за разпределение на абсорберните тръби. По принцип, има разлика между отворени и затворени геотермални системи. Отворените системи могат да използват енергийния капацитет на подземните води директно без внасяне на топлоносител, което обикновено е по-евтин вариант, защото натоварването на помпата е по-малко и ще е необходима помпа с по-малък капацитет. Това, обаче, изисква подходящи водоносни хоризонти в подпочвения слой. Ако такива липсват или са недостатъчни, или ако има друга пречка за директна употреба, се проектира затворена система. Изборът на топлоносител е важно и се прави според наличните условия. Трябва да се знае че вискозитетът е определящ за работата на помпата. Наличието на подземните води в подпочвения слой може да има и отрицателен ефект върху капацитета на почвата като резервоар на енергия. Други подземни характеристики, важни за изграждане на системата, са среден коефициент на топлопроводност на почвата, нейната плътност, средна температура и специфичен топлинен капацитет.

Още един важен момент е видът на тунела. Тунелите са студени и топли. В студените тунели температурата не се покачва, но може да се използва конструкцията, за да се извлече топлина от околната среда. При топлите тунели, движението в тях предизвиква покачване на температурата на въздуха. При тях може да се извлича топлина както от почвата, така и от въздуха.

Приложения в референтни проекти