Статья в журналеОткрытый доступ
Душанбинский артезианский бассейн: возможности внедрения грунтовых тепловых насосов
Dushanbe Artesian Basin: Opportunities for Ground Source Heat Pump (GSHP) Deployment
https://doi.org/10.5188/ijsmer.689
Ключевые данные
- Пилотная установка: две вертикальные скважины глубиной 105 м и диаметром 216 мм на расстоянии 5 м друг от друга; двойная U-образная труба с активной длиной 102 м.
- Тест термического отклика: 48 ч нагрева нагревателем мощностью 3,87 кВт при расходе 19,9 л/мин, затем 48 ч восстановления; тепло, отдаваемое в скважину, снизилось с 6,25 до 3,74 кВт.
- Эффективная теплопроводность грунта около 1,9 Вт/(м·К) (95%-й доверительный интервал 1,71–2,04); ненасыщенная зона (0–50 м) 1,4–1,7, насыщенная зона (50–105 м) 2,0–2,4 Вт/(м·К).
- Невозмущенная температура грунта около 16,5 °C; уровень подземных вод на глубине около 50 м.
- 95 проб подземных вод (2022–2024): pH 7,1–7,6, Eh около 400–500 мВ, гидрокарбонат 3,5–8,0 ммоль/л; риск солеотложения там, где ЭП превышает 1 500 мкСм/см, а гидрокарбонат — 6 ммоль/л.
- Тампонажный раствор с кварцем (CEM I 42.5R, 40 мас.% кварца): теплопроводность 2,1 Вт/(м·К); термическое сопротивление скважины снижено с 0,177 до 0,090 м·К/Вт (измеренное — 0,105 м·К/Вт).
- Прирост теплопередачи за счет раствора: 26% через месяц, около 20% через год, 16% через десять лет.
- Остывание стенки скважины за 30 лет: −0,01 °C при сбалансированной нагрузке; −3,44 °C (одна скважина) и −4,63 °C (две скважины через 5 м) при перевесе отопления на 30%; −0,93 °C при восполнении 80% дисбаланса солнечной энергией.
Аннотация
This study evaluates the shallow-geothermal potential of the Dushanbe Artesian Basin (DAB) for ground source heat pump (GSHP) deployment. One of the two 105 m vertical boreholes of a pilot installation was instrumented with a double U-tube and optical-fibre distributed temperature sensing (DTS) and tested by a single thermal response test (TRT); 95 groundwater samples (2022–2024) provided basin-wide hydrochemical characterisation. Analytical inversion of the TRT data, with Monte Carlo uncertainty quantification (1000 realisations, percentile confidence intervals), yielded an average effective ground thermal conductivity λ̄ ≈ 1.9 W·m⁻¹·K⁻¹ (95 % CI 1.71–2.04) and a depth-dependent contrast between the unsaturated (1.4–1.7 W·m⁻¹·K⁻¹) and saturated (2.0–2.4 W·m⁻¹·K⁻¹) zones, with a stable undisturbed temperature near 16.5 °C. Hydrochemical analysis identifies scaling and corrosion risks for open-loop and semi-open-loop configurations but confirms that closed-loop circuits are unaffected. First-order multipole calculations for the as-built double U-tube show that an optimised quartz-enhanced grout (CEM I 42.5R + 40 wt% quartz, λg = 2.1 W·m⁻¹·K⁻¹) reduces the borehole thermal resistance Rb from 0.177 to 0.090 m·K·W⁻¹. At a fixed fluid-to-ground temperature difference this raises the specific heat-transfer rate by ≈ 20 % after one year of continuous operation (26 % at one month, 16 % at ten years), in either heat-extraction or heat-injection mode. The work provides a reproducible interpretation framework and engineering recommendations for GSHP deployment in arid, lithologically heterogeneous basins.
Английская аннотация из статьи. Авторская аннотация воспроизводится на условиях лицензии CC BY-NC-ND 4.0. Аннотация дана на английском языке.
Ключевые слова
- грунтовый тепловой насос
- тест термического отклика
- малоглубинная геотермальная энергия
- гидрохимия
- Душанбинский бассейн
- термическое сопротивление скважины
Простыми словами
Авторы оценивают малоглубинный геотермальный потенциал Душанбинского артезианского бассейна в Гиссарской долине для грунтовых тепловых насосов. На пилотной установке в их центре в Душанбе пробурены две вертикальные скважины глубиной 105 м на расстоянии 5 м друг от друга, в каждой — двойной U-образный теплообменник из пластиковых (HDPE) труб. Одну скважину, пройденную по глинам, песчано-гравийным отложениям и песчаникам четвертичной аллювиально-пролювиальной толщи долины, оснастили оптоволоконным кабелем для измерения температуры и провели в ней 48-часовой тест термического отклика с последующим 48-часовым восстановлением. Авторы также проанализировали 95 проб подземных вод, отобранных по всему бассейну в 2022–2024 годах.
Средняя теплопроводность грунта — около 1,9 Вт/(м·К). Сухие верхние 50 м проводят тепло хуже, чем водонасыщенные отложения ниже уровня подземных вод, который находится на глубине около 50 м. Невозмущенная температура грунта стабильна и составляет около 16,5 °C. Подземные воды нейтральные, окислительные, жесткие и богаты гидрокарбонатом, поэтому в системах, прокачивающих подземную воду через теплообменник (открытых и полуоткрытых), есть риск солеотложения и коррозии. На закрытые контуры, где теплоноситель циркулирует в герметичных трубах, это напрямую не влияет.
Если вместо обычного цементного раствора применить цемент с 40% кварца, теплопроводность тампонажного раствора растет с 0,8 до 2,1 Вт/(м·К), а термическое сопротивление скважины уменьшается вдвое. При той же разнице температур скважина после года работы передает примерно на 20% больше тепла. Пилотную скважину зацементировали именно таким раствором.
Тридцатилетние модели показывают, что при балансе зимнего отбора тепла и летнего охлаждения грунт в долгосрочной перспективе не остывает. Если нагрузка на отопление на 30% больше, чем на охлаждение, стенка скважины остывает сильнее, чем на допустимые, по оценке авторов, 3 °C, особенно при двух скважинах на расстоянии 5 м. Восполнение 80% дисбаланса с помощью солнечной энергии удерживает изменение ниже 1 °C. Авторы заключают, что в центральной части бассейна тепловые насосы с закрытым контуром технически применимы, а для показателей по всему бассейну нужны испытания на большем числе площадок.
Рисунки (2)
Как цитировать
Jamshed Sh. Rahmatov, Mamadsho Ilolov, Fumiaki Inagaki and Sabur Rasulov (2026). Dushanbe Artesian Basin: Opportunities for Ground Source Heat Pump (GSHP) Deployment. International Journal of the Society of Materials Engineering for Resources, advance online publication, article 689. https://doi.org/10.5188/ijsmer.689