Європейські проєкти демонструють, що тунелі, станції метро, вентиляційні системи та інші підземні споруди можуть виконувати не лише транспортну, а й енергетичну функцію.
Підземна інфраструктура традиційно розглядається як частина транспортної або інженерної системи міста.
Однак сучасні проєкти показують, що вона може бути також джерелом низькопотенційного тепла або середовищем для його накопичення та передачі.
Це відкриває нові можливості для міського опалення, охолодження та інтеграції теплових насосів із тепловими мережами.
Чому підземна інфраструктура має енергетичний потенціал?
Підземні споруди взаємодіють із ґрунтом, підземними водами, вентиляційним повітрям та іншими середовищами, які можуть мати стабільніші температурні характеристики, ніж зовнішнє повітря.
Крім того, у транспортній інфраструктурі постійно виникає тепло від:
- руху поїздів;
- гальмування;
- електричного обладнання;
- освітлення;
- вентиляції;
- пасажиропотоку;
- допоміжних систем.
Частина цього тепла відводиться вентиляцією або передається конструкціям споруди.
Якщо поблизу існує споживач тепла, виникає можливість використати цей ресурс за допомогою теплового насоса.
Відень: теплообмінні контури в конструкціях метро
Показовим прикладом є Відень.
Під час будівництва продовження лінії U2 на чотирьох глибоко розташованих станціях було інтегровано теплообмінну систему.
Теплообмінні трубопроводи були закладені в конструкції підлоги та стін, що дозволяє відбирати або віддавати тепло ґрунту та підземним водам.
У зимовий період теплова енергія за допомогою теплового насоса використовується для опалення будівель, а влітку система може працювати у зворотному режимі для охолодження.
Що важливо в цьому підході?
Ключова особливість полягає в тому, що енергетична функція була врахована ще на етапі будівництва.
Це дозволяє інтегрувати теплообмінні контури без необхідності масштабної реконструкції готової інфраструктури.
Конструктивні елементи споруди в такому випадку виконують подвійну функцію:
будівельна конструкція + теплообмінна поверхня.
Такий підхід може бути особливо цікавим для нових тунелів, станцій, підземних паркінгів та інших об’єктів, де є можливість передбачити енергетичну функцію в проєктних рішеннях.
Лондон: тепло вентиляційної шахти для локальної тепломережі
Ще один показовий приклад — район Islington у Лондоні.
Тепло теплого повітря з вентиляційної шахти London Underground використовується тепловим насосом для виробництва тепла для локальної тепломережі.
Проєкт передбачає роботу теплового насоса потужністю близько 1 МВт, який подає тепло в мережу при температурі близько 75°C.
Система також пов’язана з мережею довжиною близько 1,5 км, яка забезпечує теплом будівлі району.
У цьому випадку джерелом є не ґрунт або підземні води, а тепло вентиляційного повітря, яке в іншому випадку відводилося б назовні.
Які джерела тепла можуть використовуватися?
Потенційні джерела в підземній інфраструктурі можна умовно поділити на кілька груп.
1. Ґрунт і підземні води
Підземні конструкції можуть взаємодіяти з ґрунтом та підземними водами, які мають відносно стабільний температурний режим.
У такому випадку тепло може відбиратися або передаватися через теплообмінні контури.
2. Вентиляційне повітря
Вентиляційні системи метро та тунелів відводять повітря, яке може мати вищу температуру, ніж зовнішнє середовище.
Тепловий насос може використовувати це тепло для нагрівання води в локальній тепловій мережі.
3. Стічні та дренажні води
Підземна інфраструктура може бути пов’язана з водовідведенням, дренажними системами та іншими водними потоками.
За наявності відповідних температурних параметрів вони можуть розглядатися як джерело низькопотенційного тепла.
4. Тепло від транспортних процесів
Електричне обладнання, рух поїздів та інші технологічні процеси створюють тепло, частина якого може бути технічно доступною для утилізації.
Чому тепловий насос є важливим елементом системи?
У більшості таких випадків джерело має температуру, недостатню для безпосереднього використання в традиційній системі теплопостачання.
Тепловий насос дозволяє підвищити температурний потенціал джерела.
Спрощено система працює так:
підземна інфраструктура → низькопотенційне тепло → теплообмінний контур → тепловий насос → система опалення або теплова мережа.
У літній період система може працювати у зворотному режимі, забезпечуючи охолодження будівель.
Це особливо цікаво для об’єктів, де одночасно існує потреба в опаленні взимку та охолодженні влітку.
Energy tunnels: інфраструктура подвійного призначення
Окремий напрям розвитку — концепція energy tunnels, або енергетичних тунелів.
Її суть полягає в тому, що тунель або інша підземна конструкція може одночасно виконувати:
- транспортну функцію;
- інженерну функцію;
- теплообмінну функцію;
- функцію джерела або акумулятора тепла.
Це дозволяє підвищити ефективність використання міського простору.
Особливо перспективним такий підхід може бути під час будівництва нової інфраструктури, коли енергетичні рішення можна інтегрувати в конструкції без значного збільшення складності майбутньої експлуатації.
Які технічні питання необхідно враховувати?
Перед реалізацією проєкту необхідно оцінити:
- температуру джерела протягом року;
- доступний тепловий потік;
- режим роботи транспортної системи;
- вплив вентиляції;
- можливість розміщення теплообмінного обладнання;
- гідравлічні та теплові параметри;
- відстань до споживачів;
- вимоги до безпеки;
- можливість роботи в режимах опалення та охолодження;
- необхідність резервного джерела.
Важливо також враховувати, що енергетична функція не повинна погіршувати основне призначення інфраструктури.
Для метро та тунелів першочерговими залишаються безпека, надійність, доступність для обслуговування та стабільність транспортної системи.
Що це означає для України?
Українські міста мають потенціал для пошуку аналогічних рішень.
Потенційними об’єктами можуть бути:
- метро;
- тунелі;
- підземні споруди;
- вентиляційні шахти;
- дренажні системи;
- стічні води;
- промислові підземні об’єкти;
- інші джерела низькопотенційного тепла.
Особливо актуальним це може бути під час відбудови та модернізації міської інфраструктури.
Якщо енергетичну функцію передбачити на етапі проєктування, можна заздалегідь визначити:
- місця розташування теплообмінних контурів;
- точки підключення;
- необхідні технічні приміщення;
- параметри теплоносія;
- можливість подальшої інтеграції з тепловою мережею;
- вимоги до автоматизації та обліку.
Асоціація теплових насосів України вважає, що під час модернізації міської інфраструктури доцільно оцінювати не лише її основне функціональне призначення, а й потенціал використання доступних енергетичних ресурсів.
Підземна інфраструктура може стати одним із таких ресурсів.
Однак реалізація подібних проєктів потребує:
- технічного обстеження;
- оцінки теплового потенціалу;
- аналізу температурних режимів;
- розрахунку теплового навантаження;
- визначення схеми інтеграції;
- оцінки економіки;
- забезпечення безпеки та резервування.
Наступним джерелом тепла для міста може стати те, що вже існує під землею. Саме тому енергетичну функцію інфраструктури доцільно розглядати ще на етапі її проєктування.