УДК 697.7
Технология ATES (Aquifer Thermal Energy Storage)
Эльканов Мурат Расулович – студент Российского университета дружбы народов им. Патриса Лумумбы
Ягудин Камиль Рамилевич – студент Российского университета дружбы народов им. Патриса Лумумбы
Научный руководитель Шамбина Светлана Львовна – кандидат технических наук, доцент Российского университета дружбы народов им. Патриса Лумумбы
Аннотация: В статье мы рассматриваем особенности, принципы работы и целесообразность использовании технологии ATES в современном мире. Данная технология была разработана относительно недавно, около 20 лет назад. И только начинает внедряться в системы отопления, вентиляции и кондиционирования воздуха. Новинка в отличии от своих предшественников ведома идей эко-строительства, так как при возведении и сооружении конструкции минимизируется выбросы, способствующие загрязнению окружающей среды, а также в процессе эксплуатации сооружения используется возобновляемый источник энергии- воду, которая перегоняется из резервуаров в здание и наоборот. Популяризация данной технологии может привезти к значительному сокращению выбросов углекислого газа и экономии ресурсов, используемые в стандартных технологиях отопления, вентиляции и кондиционирования воздуха.
Ключевые слова: ATES, эко-строительство, отопление, водоносный слой, энергоэффективность.
ATES [2]
ATES (Aquifer Thermal Energy Storage) – это инновационная геотермальная технология с открытым контуром. Он основан на сезонном хранении холодных или теплых грунтовых вод в водоносном слое. Технология была разработана в Европе более 20 лет назад и сейчас используется более чем на 1000 объектах, в основном в Нидерландах и Скандинавии. Хотя ATES является высокоэффективным и «зеленым», но это не технология возобновляемых источников энергии, поскольку она используется для энергосбережения, а не для производства энергии. Тем не менее, ATES часто используется в сочетании с возобновляемыми источниками энергии, такими как использование солнечных панелей для нагревания горячей воды и хранения летом, а также с электричеством на солнечной или ветровой энергии для питания механических компонентов системы ATES.
Рисунок 1. Схема расположения ATES.
Как это работает ?
ATES требует подходящего водоносного слоя, в которых будут установлены как минимум две термальные скважины. Другие компоненты системы ATES включают теплообменники, транспортные трубопроводы, механические системы и средства управления, необходимые для интеграции системы ATES с системой отопления, вентиляции и кондиционирования воздуха. Применения ATES обычно включает в себя хранение и рекуперацию (возврата) холодной воды, хотя также используется накопление теплой воды, особенно если в летние месяцы имеется избыток тепла от солнечных панели или когенерационной установки (это технологическая система, принцип работы которой позволяет одновременно получать тепловую и электрическую энергии). В холодную зимнюю погоду грунтовые воды можно перекачивать через простой теплообменник, где они охлаждаются и хранятся в специально отведенной «холодильной» части водоносного слоя. Холодные грунтовые воды собираются из «холодильной» части в летние месяцы и используются для охлаждения. После того, как вода была использована для охлаждения, она нагревается и поступает в предназначенную для «теплого хранения» часть водоносного слоя. Цикл повторяется сезонно.
Рисунок 2. Процессы работы ATES. Схема поступления горячей воды из резервуара в помещение, и возвращение холодной воды в резервуар.
Рисунок 3. Процессы работы ATES. Схема поступления холодной воды из резервуара в помещение, и возвращение горячей воды в резервуар.
Насколько это эффективно?
ATES может достигать сезонных значений коэффициента энергоэффективности более 60, что примерно в четыре-шесть раз более эффективно, чем обычные системы отопления и охлаждения.
Система ATES использует естественное отопление и охлаждение, доступное летом и зимой, и сохраняет это тепло в водоносном горизонте до следующего сезона.
Высокая удельная теплоемкость воды и характер потока грунтовых вод в пористой среде делают водоносный горизонт отличной средой для хранения и рекуперации тепла.
Рисунок 4. Схема ATES.
Детали
ATES не будет работать на вашем участке, если нет водоносного слоя. Также требуется достаточно большой участок, чтобы было достаточно места как для холодного, так и для теплого резервуаров, поэтому ATES не будет экономически выгодным для большинства жилых или небольших коммерческих объектов.
Из-за глубоких гидрогеологических и инженерных знаний, необходимых для проектирования системы ATES, затраты на проектирование и строительство будут относительно высокими по сравнению с традиционной системой.
Однако недавние проекты ATES в Европе окупаются примерно через пять лет. Расчетный срок службы проекта ATES составляет примерно 30 лет. Поскольку система ATES основана на закачке и отборе грунтовых вод через скважины, необходимо соблюдать осторожность, чтобы избежать геохимических или эксплуатационных воздействий, которые могут засорить скважинные краны.
Подземные воды не подвергаются химическим изменениям в системе ATES, поэтому единственным регулируемым параметром, вызывающим озабоченность, является температура. Соответственно, при проектировании системы ATES следует стремиться к минимизации подземных тепловых воздействий на границе участка.
По сравнению с эталонной системой ATES обеспечивает экономию CO2 около 600 тонн в год, тем самым четко демонстрируя потенциальные экономические и экологические выгоды ATES
Преимущества и недостатки
Самое большое преимущество ATES заключается в том, что он в основном использует возобновляемые источники энергии. Система может работать почти бесконечно с горячей и холодной водой, никогда не потребляя энергию в процессе. Недостатком ATES является то, что инвестиционные затраты высоки. Также должны быть выполнены определенные условия: например, почва должна быть пригодна для системы. Сами здания также должны быть в состоянии поддержать это. Лучше всего вносить необходимые изменения во время строительства. Цель здания также важна: например, ATES менее эффективен для жилых зданий.
Заключение
Технология ATES является весьма перспективным объектом изучениями строительства. Возможность довольно большой промежуток времени использовать один и тот же ресурс, из-за его возобновляемой способности, способно значительно уменьшить траты на сырье. Технология ATES способна обеспечивать экономию CO2 около 600 тонн в год, тем самым четко демонстрируя потенциальные экономические и экологические выгоды ATES. Да, безусловно, технология весьма дорогая, и требует использовать довольно большие пласты территорий. Должны быть выполнены определенные условия: почва должна быть пригодна для системы. Сами здания также должны быть в состоянии поддержать это. Лучше всего вносить необходимые изменения во время строительства. Цель здания также важна: ATES менее эффективен для жилых зданий.
Хоть технология и дорогая, но она способно окупится за 3-5 лет. Это довольно быстро по сравнению с другими технологиями, которые более популярны. ATES способное многое предоставить, но, к сожалению, в странах запада, и тем более в России технология не распространена. Но технологии не стоят на месте и прогресс тоже, поэтому осмелюсь предположить, что все медленными, но верными шагами дойдёт до всего мира.
Список литературы
- Блоэмендал М., Олстхорн, Т.О., Бунс Ф. Как добиться оптимального и устойчивого использования недр для хранения тепловой энергии водоносного горизонта. Энергетическая политика. 2014.
- Applied Hydrogeology Geothermal Innovation/ ATES. – Aquifer Thermal Energy Storage.
- Techno-economic and environmental analysis of an Aquifer Thermal Energy Storage (ATES) in Germany / Simon Schüppler. – 2019.
- Renewable district heating and cooling technologies with and without seasonal storage / Jan Erik Nielsen, Per Alex Sørensen // Renewable Heating and Cooling Technologies and Applications 2016, pp. 197-220.
- UTES – Underground Thermal Energy Storage/Encyclopedia of Energy Storage Volume 1, 2022, Pages 382-393 // Alessandro Casasso a, Nicolò Giordano b, Carlo Bianco a, Rajandrea Sethi a
- Advances in Thermal Energy Storage Systems (Second Edition) Methods and Applications Wood head Publishing Series in Energy 2021, Pages 699-715/ Thermal energy storage systems for greenhouse technology Author links open overlay panel Halime Ö.Paksoy, Beyza Beyhan.