На каква дълбочина е температурата. Земни вертикални колектори. Изчисляване на необходимата дълбочина на кладенците
Една от най-добрите, рационални техники при изграждането на капитални оранжерии е подземен термос за оранжерия.
Използването на този факт за постоянството на температурата на земята на дълбочина в устройството на оранжерията дава огромни спестявания при разходите за отопление в студения сезон, улеснява поддръжката, прави микроклимата по-стабилен.
Такава оранжерия работи в най-напукващите студове, ви позволява да произвеждате зеленчуци, да отглеждате цветя през цялата година.
Правилно оборудван погребан оранжерий дава възможност за отглеждане, включително топлинно обичащи южни култури. Практически няма ограничения. Цитрусовите плодове и дори ананасите могат да се чувстват чудесно в оранжерия.
Но за да може всичко да функционира правилно на практика, е наложително да се спазват изпитаните във времето технологии, чрез които са изградени подземни оранжерии. В края на краищата тази идея не е нова, дори при царя в Русия, заровени оранжерии дадоха реколти от ананаси, които предприемчиви търговци изнасяха за продажба в Европа.
По някаква причина изграждането на такива оранжерии не намери широко разпространение у нас, като цяло просто се забравя, въпреки че дизайнът е идеален точно за нашия климат.
Вероятно ролята тук е изиграна от необходимостта да се копае дълбока фундаментна яма, изсипвайки основата. Изграждането на заровена оранжерия е доста скъпо, далеч не е оранжерия, покрита с полиетилен, но възвръщаемостта на оранжерията е много по-голяма.
От задълбочаването в земята общата вътрешна осветеност не се губи, това може да изглежда странно, но в някои случаи наситеността със светлина е дори по-висока от тази на класическите оранжерии.
Невъзможно е да не споменем силата и надеждността на конструкцията, тя е несравнимо по-силна от обикновено, понася по-лесно ураганните пориви на вятъра, издържа на градушка и снежните блокажи няма да се превърнат в пречка.
1. Яма
Създаването на оранжерия започва с изкопаването на яма. За да използвате топлината на земята за загряване на вътрешния обем, оранжерията трябва да бъде достатъчно задълбочена. Колкото по-дълбока, толкова по-топла е земята.
Температурата почти не се променя през годината на разстояние 2-2,5 метра от повърхността. На дълбочина 1 m температурата на почвата се колебае повече, но през зимата стойността й остава положителна, обикновено в средната лента температурата е 4-10 C, в зависимост от сезона.
Погребан парник е издигнат за един сезон. Тоест, през зимата той вече ще може да функционира и да генерира доход. Строителството не е евтино, но използвайки изобретателност и компрометиращи материали, е възможно да спестите буквално цяла поръчка, като направите един вид икономична версия на оранжерията, като се започне от фундаментната яма.
Например, направете без да включвате строителна техника. Макар че най-отнемащата част от работата време - изкопаването на яма - разбира се, е по-добре да я дадете на багер. Ръчно извеждането на такъв обем земя е трудно и дълго.
Дълбочината на ямата на ямата трябва да бъде най-малко два метра. На такава дълбочина земята ще започне да споделя своята топлина и ще работи като вид термос. Ако дълбочината е по-малка, тогава по принцип идеята ще работи, но забележимо по-малко ефективно. Затова се препоръчва да не се щадят усилия и ресурси за задълбочаване на бъдещата оранжерия.
Подземните оранжерии могат да бъдат с всякаква дължина, но е по-добре да се поддържа ширината в рамките на 5 метра, ако ширината е по-голяма, тогава качествените характеристики на отоплението и отражението на светлината се влошават.
Отстрани на хоризонта подземните оранжерии трябва да бъдат ориентирани, като обикновени оранжерии и котловини, от изток на запад, тоест така, че една от страните да е обърната на юг. В това положение растенията ще получават максималното количество слънчева енергия.
2. Стени и покрив
По периметъра на ямата се излива фундамент или се поставят блокове. Основата служи като основа за стените и рамката на конструкцията. Стените са най-добре направени от материали с добри топлоизолационни характеристики, топлинните блокове са отлична опция.
Рамката на покрива често е направена от дърво, от прътите, импрегнирани с антисептични средства. Покривната конструкция обикновено е права фронтон. В центъра на конструкцията е фиксиран гребен греда, за това на пода са монтирани централни опори по цялата дължина на оранжерията.
Гребен греда и стени са свързани с редица греди. Рамката може да бъде направена без високи опори. Те се заменят с малки, които се поставят върху напречните греди, свързващи противоположните страни на оранжерията - този дизайн прави вътрешното пространство по-свободно.
Като покривно покритие е по-добре да вземете клетъчен поликарбонат - популярен модерен материал. Разстоянието между ребрата по време на строителството се настройва на ширината на поликарбонатните листове. Удобно е да работите с материала. Покритието се получава с малък брой фуги, тъй като листовете се произвеждат с дължина 12 m.
Те са прикрепени към рамката с самонарезни винтове, по-добре е да ги изберете с шапка под формата на шайба. За да избегнете напукване на листа, под всеки самонарезен винт трябва да пробиете дупка със съответния диаметър със свредло. С отвертка или обикновена бормашина с напречен бит остъкляването работи много бързо. За да се избегнат пукнатини, е добре да се поставят ребрата отгоре с уплътнител, направен от мека гума или друг подходящ материал, и едва след това да закрепите листовете. Върхът на покрива по билото трябва да бъде положен с мека изолация и притиснат с някакъв ъгъл: пластмаса, от калай, от друг подходящ материал.
За добра топлоизолация покривът понякога се прави с двоен слой от поликарбонат. Въпреки че прозрачността е намалена с около 10%, тя е покрита от отлични характеристики на топлоизолация. Трябва да се отбележи, че снегът на такъв покрив не се топи. Следователно наклонът трябва да бъде под достатъчен ъгъл, поне 30 градуса, за да не се натрупва сняг на покрива. Освен това е инсталиран електрически вибратор за разклащане, той ще предпази покрива в случай, че снегът все още се натрупва.
Двойното остъкляване се извършва по два начина:
Между два листа се поставя специален профил, листовете са прикрепени към рамката отгоре;
Първо, долният слой остъкляване е прикрепен към рамката отвътре, от долната страна на ребрата. Вторият слой на покрива е покрит, както обикновено, отгоре.
След приключване на работата е препоръчително да залепите всички фуги с тиксо. Готовият покрив изглежда много впечатляващ: без излишни фуги, гладък, без видни части.
3. Загряване и отопление
Изолацията на стените се извършва по следния начин. Първо трябва да намажете старателно с разтвор всички фуги и шевове на стената, тук можете да нанесете монтажна пяна. Вътрешната страна на стените е покрита с топлоизолационен филм.
В студените части на страната е добре да използвате фолио с дебел филм, покривайки стената с двоен слой.
Температурата в дълбините на почвата на оранжерията е над нулата, но по-студена от температурата на въздуха, необходима за растежа на растенията. Най-горният слой се загрява от слънчевите лъчи и въздуха на оранжерията, но все пак почвата премахва топлината, затова често в подземните оранжерии се използва технологията на "топли подове": нагревателният елемент - електрически кабел - е защитен с метална решетка или излят с бетон.
Във втория случай почвата за легла се изсипва върху бетон или зеленина се отглежда в саксии и саксии.
Използването на топъл под може да е достатъчно за отопление на цялата оранжерия, ако има достатъчно мощност. Но използването на комбинирано отопление е по-ефективно и по-удобно за растенията: топъл под + отопление с въздух. За добър растеж се нуждаят от температура на въздуха 25-35 градуса при земна температура около 25 С.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Разбира се, изграждането на заровена оранжерия ще струва повече и ще бъдат необходими повече усилия, отколкото при изграждането на подобна оранжерия с конвенционален дизайн. Но средствата, инвестирани в оранжерията на термос, са оправдани във времето.
Първо, спестява енергия при отопление. Без значение как обикновената наземна оранжерия се отоплява през зимата, тя винаги ще бъде по-скъпа и по-трудна от подобен метод за отопление в подземна оранжерия. Второ, спестяване на осветление. Изолация от фолио на стените, отразяваща светлината, удвоява осветеността. Микроклиматът в задълбочената оранжерия през зимата ще бъде по-благоприятен за растенията, което със сигурност ще се отрази на производителността. Фиданките лесно ще се вкоренят, деликатните растения ще се чувстват отлично. Такава оранжерия гарантира стабилен, висок добив на всякакви растения през цялата година.
У нас, богата на въглеводороди, геотермалната енергия е екзотичен ресурс, който в днешната ситуация е малко вероятно да се конкурира с нефт и газ. Въпреки това, тази алтернативна енергия може да се използва почти навсякъде и доста ефективно.
Геотермалната енергия е топлината на земната вътрешност. Произвежда се в дълбините и навлиза в земната повърхност в различни форми и с различна интензивност.
Температурата на горните слоеве на почвата зависи главно от външни (екзогенни) фактори - слънчево осветление и температура на въздуха. През лятото и деня почвата се затопля до определени дълбочини, а през зимата и през нощта се охлажда след промяна на температурата на въздуха и с известно изоставане, увеличавайки се с дълбочина. Влиянието на дневните колебания на температурата на въздуха завършва на дълбочина от единици до няколко десетки сантиметра. Сезонните вибрации улавят по-дълбоки слоеве на почвата - до десетки метра.
На определена дълбочина - от десетки до стотици метра - температурата на почвата се поддържа постоянна, равна на средната годишна температура на въздуха на повърхността на Земята. Това е лесно да се провери, като се спуснете в доста дълбока пещера.
Когато средната годишна температура на въздуха в дадена област е под нулата, това се проявява като вечна замръзване (по-точно, многогодишно). В Източен Сибир дебелината, тоест дебелината на целогодишно замръзнали почви достига на места 200–300 m.
От определена дълбочина (собствена за всяка точка на картата) действието на Слънцето и атмосферата отслабва толкова много, че на първо място излизат ендогенни (вътрешни) фактори, а вътрешността на земята се нагрява отвътре, така че температурата започва да се увеличава с дълбочина.
Нагряването на дълбоките пластове на Земята се свързва главно с разпадането на радиоактивните елементи, разположени там, въпреки че се наричат \u200b\u200bи други източници на топлина, например физикохимични, тектонски процеси в дълбоките слоеве на земната кора и мантия. Но каквото и да е това, температурата на скалите и свързаните с тях течни и газообразни вещества се увеличава с дълбочина. Миньорите са изправени пред този феномен - в дълбоки мини винаги е горещо. На дълбочина 1 км топлината от тридесет градуса е нормална, а на по-дълбока температура е още по-висока.
Топлинният поток на земната вътрешност, достигащ до земната повърхност, е малък - средно мощността му е 0,03–0,05 W / m 2, или около 350 W · h / m 2 годишно. На фона на топлинния поток от Слънцето и нагрятия от него въздух това е незабележимо количество: Слънцето дава на всеки квадратен метър от земната повърхност около 4000 кВтч годишно, тоест 10 000 пъти повече (разбира се, това е средно с огромно разпространение между полярни и екваториални ширини и в зависимост от други климатични и метеорологични фактори).
Незначителността на топлинния поток от недрата към повърхността в по-голямата част от планетата е свързана с ниска топлопроводимост на скалите и особености на геоложката структура. Но има и изключения - места, където топлинният поток е голям. Това са на първо място зони на тектонски разломи, повишена сеизмична активност и вулканизъм, където енергията на земната вътрешност намира изход. Такива зони се характеризират с топлинни аномалии на литосферата, тук топлинният поток, достигащ земната повърхност, може да бъде няколко пъти или дори с порядък по-мощен от „обикновения“. Огромно количество топлина на повърхността в тези зони се осъществява от вулканични изригвания и горещи извори на вода.
Именно тези райони са най-благоприятни за развитието на геотермалната енергия. На територията на Русия това е на първо място Камчатка, Курилските острови и Кавказ.
В същото време развитието на геотермалната енергия е възможно почти навсякъде, тъй като повишаването на температурата с дълбочина е универсално явление и задачата е да „извлича“ топлина от червата, подобно на това как минералните суровини се извличат от там.
Средно температурата с дълбочина се повишава с 2,5–3 ° C на всеки 100 м. Съотношението на температурната разлика между две точки, лежащи на различни дълбочини, и разликата в дълбочина между тях се нарича геотермален градиент.
Реципрочният е геотермалният етап или интервал от дълбочини, при който температурата се повишава с 1 ° С.
Колкото по-висок е градиентът и съответно, колкото по-ниска е стъпката, толкова по-близо топлината на дълбочините на Земята се приближава до повърхността и толкова по-обещаваща е тази област за развитието на геотермалната енергия.
В различни райони, в зависимост от геоложката структура и други регионални и местни условия, скоростта на повишаване на температурата с дълбочина може да варира драстично. В мащаба на Земята колебанията в стойностите на геотермални градиенти и стъпки достигат 25 пъти. Например в Орегон (САЩ) наклонът е 150 ° C на 1 км, а в Южна Африка - 6 ° C на 1 км.
Въпросът е каква е температурата на големи дълбочини - 5, 10 км или повече? Ако тенденцията се запази, температурата на дълбочина от 10 км трябва да бъде средно около 250-300 ° C. Това се потвърждава повече или по-малко от директни наблюдения в свръх дълбоки кладенци, въпреки че картината е много по-сложна от линейно повишаване на температурата.
Например, в свръхглибата на Кола, пробити в Балтийския кристален щит, температурата до дълбочина 3 км се променя със скорост 10 ° С / 1 км, а след това геотермалният градиент става 2–2,5 пъти по-голям. На дълбочина 7 км вече е регистрирана температура от 120 ° С, на 10 км - 180 ° С, а на 12 км - 220 ° С.
Друг пример е кладенец, положен в Северния Каспийски регион, където на дълбочина 500 м температурата е регистрирана на 42 ° С, на 1,5 км - 70 ° С, на 2 км - 80 ° С, на 3 км - 108 ° С.
Предполага се, че геотермалният градиент намалява, започвайки от дълбочина 20–30 km: на дълбочина 100 km, очакваните температури са около 1300–1500 ° C, на дълбочина 400 km - 1600 ° C, в земното ядро \u200b\u200b(дълбочина над 6000 km) - 4000–5000 ° C.
На дълбочина до 10–12 км температурата се измерва чрез пробити сондажи; където те не съществуват, тя се определя от косвените характеристики по същия начин, както на по-големи дълбочини. Такива косвени признаци могат да бъдат естеството на преминаването на сеизмичните вълни или температурата на изливащата се лава.
За целите на геотермалната енергия обаче данните за температури на дълбочина над 10 км все още не представляват практически интерес.
На дълбочина от няколко километра има много топлина, но как да го повишим? Понякога самата природа решава този проблем за нас с помощта на естествена охлаждаща течност - отопляеми термални води, които излизат на повърхността или лежат на достъпна за нас дълбочина. В някои случаи водата в дълбините се нагрява до състояние на пара.
Няма строго определение на термина „термални води“. Като правило те означават гореща подземна вода в течно състояние или под формата на пара, включително тези, които достигат повърхността на Земята с температура над 20 ° C, тоест като правило е по-висока от температурата на въздуха.
Топлината на подземните води, смесите на пара, вода и вода е хидротермална енергия. Съответно енергията, базирана на използването му, се нарича хидротермална.
Ситуацията е по-сложна с производството на топлина директно от сухи скали - петротермална енергия, особено след като достатъчно високи температури, като правило, започват от дълбочина от няколко километра.
В Русия потенциалът на петротермалната енергия е сто пъти по-висок от този на хидротермалната енергия - съответно 3500 и 35 трилиона тона стандартно гориво. Това е съвсем естествено - топлината на дълбините на Земята е навсякъде, а локалните термални води се откриват. Поради очевидни технически затруднения, понастоящем термалните води се използват за производство на топлина и електричество.
Водата с температура от 20-30 до 100 ° C е подходяща за отопление, температура от 150 ° C и повече - и за производство на електричество в геотермални централи.
Като цяло геотермалните ресурси в Русия по отношение на тонове стандартно гориво или друга единица енергия са около 10 пъти по-високи от запасите на изкопаеми горива.
Теоретично само благодарение на геотермалната енергия би било възможно напълно да се задоволят енергийните нужди на страната. На практика в момента на по-голямата част от нейната територия това не е възможно по технически и икономически причини.
В света използването на геотермална енергия най-често се свързва с Исландия, страна, разположена в северния край на Средноатлантическия хребет, в изключително активна тектонска и вулканична зона. Вероятно всеки си спомня мощното изригване на вулкана Eyyafyatlaylayokudl ( Ейяфятлайокутл) през 2010г.
Благодарение на тази геоложка специфика Исландия има огромни запаси от геотермална енергия, включително горещи извори, достигащи повърхността на Земята и дори бликащи под формата на гейзери.
В Исландия в момента над 60% от цялата консумирана енергия се взема от Земята. Включително поради геотермалните източници се осигуряват 90% от отоплението и 30% от производството на електроенергия. Добавяме, че останалата част от електроенергията в страната се произвежда във водноелектрически централи, тоест използвайки и възобновяем енергиен източник, което прави Исландия да изглежда като вид глобален екологичен стандарт.
„Укротяването“ на геотермалната енергия през 20-ти век значително помогна на Исландия икономически. До средата на миналия век това беше много бедна страна, сега тя се нарежда на първо място в света по инсталиран капацитет и производство на геотермална енергия на глава от населението и е в челната десетка по абсолютна стойност на инсталирания капацитет на геотермалните централи. Населението му обаче е едва 300 хиляди души, което опростява задачата за преминаване към екологично чисти енергийни източници: нуждите от него като цяло са малки.
В допълнение към Исландия, висок дял на геотермалната енергия в общия баланс на производството на електроенергия се осигурява в Нова Зеландия и островните държави в Югоизточна Азия (Филипините и Индонезия), Централна Америка и Източна Африка, чиято територия също се характеризира с висока сеизмична и вулканична активност. За тези страни, с настоящото си ниво на развитие и нужди, геотермалната енергия има значителен принос за социално-икономическото развитие.
Използването на геотермална енергия има много дълга история. Един от първите известни примери е Италия, място в провинция Тоскана, сега наречена Лардерело, където още в началото на 19 век местните горещи термални води, които се изливат естествено или се извличат от плитки кладенци, се използват за енергийни цели.
Водата от подземни източници, богата на бор, е била използвана тук за производството на борна киселина. Първоначално тази киселина се получава чрез изпаряване в железни котли, а обикновените дърва за огрев от близките гори са взети като гориво, но през 1827 г. Франческо Лардерел създава система, която работи върху топлината на самите води. В същото време те започнаха да използват енергията на естествената водна пара за експлоатацията на сондажни съоръжения, а в началото на 20 век - за отопление на местни къщи и оранжерии. На същото място в Лардерело през 1904 г. термалната водна пара се превръща в енергиен източник за производство на електроенергия.
Примерът на Италия в края на XIX - началото на XX век е последван от няколко други страни. Например през 1892 г. термалните води за първи път са използвани за локално отопление в САЩ (Boise, Айдахо), през 1919 г. в Япония, през 1928 г. в Исландия.
В Съединените щати първата хидротермална електроцентрала се появява в Калифорния в началото на 30-те години на миналия век, в Нова Зеландия през 1958 г., в Мексико през 1959 г., в Русия (първата в света бинарна GeoPP) през 1965 г. ,
Стар принцип на нов източник
Производството на електроенергия изисква по-висока температура на хидравличния източник, отколкото за отопление - повече от 150 ° C. Принципът на работа на геотермална електроцентрала (GeoES) е подобен на този на конвенционална ТЕЦ. Всъщност геотермалната централа е вид топлоелектрическа централа.
В ТЕЦ-тата по принцип въглищата, газът или мазутът действат като основен източник на енергия, а водната пара служи като работна течност. Горивото, изгаряне, загрява водата до състояние на пара, която върти парната турбина и тя генерира електричество.
Разликата на GeoES е, че основният източник на енергия тук е топлината на земната вътрешност и работният флуид под формата на пара влиза в лопатките на турбината на електрическия генератор в „завършена“ форма директно от произвеждащия кладенец.
Има три основни схеми за работа на GeoES: директно, използващо суха (геотермална) пара; непряка, базирана на хидротермална вода и смесена, или бинарна.
Използването на определена схема зависи от състоянието на агрегация и температурата на енергийния носител.
Най-простата и следователно първата от овладените схеми е правият ред, при който парата, идваща от кладенеца, се предава директно през турбината. Първият в света GeoPP в Лардерело през 1904 г. също работи на суха пара.
GeoES с индиректна схема на работа в наше време е най-често срещаният. Те използват гореща подземна вода, която се изпомпва под високо налягане в изпарителя, където част от него се изпарява, а получената пара върти турбината. В някои случаи са необходими допълнителни устройства и вериги за пречистване на геотермалната вода и пара от агресивни съединения.
Отпадъчната пара влиза в инжекционния кладенец или се използва за отопление на помещенията - в този случай принципът е същият, както по време на работа на когенерацията.
В бинарните GeoPP топла термална вода взаимодейства с друга течност, която действа като работна течност с по-ниска точка на кипене. И двете течности се преминават през топлообменник, където термалната вода изпарява работната течност, парата на която върти турбината.
Тази система е затворена, което решава проблема с емисиите във въздуха. В допълнение, работните течности със сравнително ниска точка на кипене позволяват използването на не много горещи термални води като основен източник на енергия.
И трите схеми използват хидротермален източник, но петротермалната енергия може да се използва и за производство на електроенергия.
Схемата на схемата в този случай също е доста проста. Необходимо е да се пробият два взаимосвързани ямки - инжектиране и производство. Водата се изпомпва в инжекционния кладенец. На дълбочина се нагрява, след това се нагрява вода или пара, образувана в резултат на силно загряване през производствен кладенец, се подава към повърхността. Освен това всичко зависи от начина на използване на петротермалната енергия - за отопление или за производство на електроенергия. Възможен е затворен цикъл с инжектиране на отпадъчна пара и вода обратно в инжекционния кладенец или друг метод за изхвърляне.
Недостатъкът на такава система е очевиден: за да се получи достатъчно висока температура на работния флуид, е необходимо да се пробиват кладенци на по-голяма дълбочина. А това са сериозни разходи и риск от значителни загуби на топлина, когато течността се движи нагоре. Следователно петротермалните системи засега са по-рядко срещани от хидротермалните системи, въпреки че потенциалът на петротермалната енергия е с порядък по-голям.
В момента Австралия е лидер в създаването на така наречените системи за петротермална циркулация (PCS). Освен това тази посока на геотермална енергия активно се развива в САЩ, Швейцария, Великобритания и Япония.
Подарък на лорд Келвин
Изобретението на термопомпата през 1852 г. от физика Уилям Томпсън (известен още като лорд Келвин) предостави на човечеството реална възможност да използва нискокачествената топлина на горните слоеве на почвата. Система за термопомпа или, както го нарича Томпсън, термичен умножител, се основава на физическия процес на прехвърляне на топлина от околната среда към хладилния агент. Всъщност той използва същия принцип като в петротермалните системи. Разликата е в топлинния източник, във връзка с който може да възникне терминологичен въпрос: колко може една термопомпа да се счита за геотермална система? Факт е, че в горните слоеве, до дълбочини от десетки до стотици метра, скалите и съдържащите се в тях течности се нагряват не от дълбоката топлина на земята, а от слънцето. По този начин, това е слънцето в този случай - основният източник на топлина, въпреки че е взета, както в геотермалните системи, от земята.
Работата на термопомпата се основава на забавянето на нагряването и охлаждането на почвата в сравнение с атмосферата, в резултат на което между повърхността и по-дълбоките слоеве се образува температурен градиент, който задържа топлина дори през зимата, подобно на това как се случва във водните тела. Основната цел на термопомпите е отоплението на помещенията. Всъщност това е „хладилник напротив“. Както термопомпата, така и хладилникът взаимодействат с три компонента: вътрешната среда (в първия случай - отопляемото помещение, във втория - хладилната камера на хладилника), външната среда - източникът на енергия и хладилният агент (хладилен агент), той също е топлоносителят, който осигурява топлопренос или студено.
Вещество с ниска точка на кипене действа като хладилен агент, което му позволява да отвежда топлина от източник, който дори има сравнително ниска температура.
В хладилника течният хладилен агент през дросела (регулатор на налягането) навлиза в изпарителя, където поради рязко намаляване на налягането течността се изпарява. Изпаряването е ендотермичен процес, който изисква абсорбиране на топлина отвън. В резултат на това топлината се отвежда от вътрешните стени на изпарителя, което осигурява охлаждащ ефект в хладилната камера. Освен това хладилният агент се всмуква в компресора от изпарителя, където той се връща в течно състояние на агрегация. Това е обратният процес, водещ до отделяне на топлина, поемана в околната среда. По правило тя се хвърля в стаята, а задната стена на хладилника е сравнително топла.
Термопомпата работи почти по същия начин, с разликата, че топлината се приема от външната среда и през изпарителя навлиза във вътрешната среда - отоплителната система на помещението.
В истинска термопомпа водата се нагрява, преминавайки през външна верига, положена в земята или езерце, след което тя влиза в изпарителя.
В изпарителя топлината се прехвърля във вътрешна верига, пълна с хладилен агент с ниска точка на кипене, която, преминавайки през изпарителя, преминава от течно в газообразно състояние, отнемайки топлина.
Освен това газообразният хладилен агент влиза в компресора, където се компресира до високо налягане и температура, и влиза в кондензатора, където топлината се обменя между горещия газ и охлаждащата течност от отоплителната система.
За да работи компресорът, е необходимо електричество, но коефициентът на трансформация (съотношение на консумирана и генерирана енергия) в съвременните системи е достатъчно висок, за да се гарантира тяхната ефективност.
В момента термопомпите се използват доста широко за отопление на помещения, главно в икономически развитите страни.
Еко-правилна енергия
Геотермалната енергия се счита за екологично чиста, което по принцип е вярно. На първо място, той използва възобновяем и почти неизчерпаем ресурс. Геотермалната енергия не изисква големи площи, за разлика от големите ВЕЦ или вятърните електроцентрали и не замърсява атмосферата, за разлика от въглеводородната енергия. Средно GeoPP заема 400 м 2 по отношение на 1 GW генерирана електроенергия. Същият показател за ТЕЦ за въглища например е 3600 м 2. Екологичните предимства на GeoPP са и ниската консумация на вода - 20 литра прясна вода на 1 kW, докато около 1000 литра са необходими за топлоцентрали и атомни електроцентрали. Обърнете внимание, че това са показатели за околната среда на „средния“ GeoES.
Но все още има отрицателни странични ефекти. Сред тях най-често се разграничават шума, термичното замърсяване на атмосферата и химическото замърсяване на водата и почвата, както и образуването на твърди отпадъци.
Основният източник на химическо замърсяване на околната среда е самата термална вода (с висока температура и минерализация), която често съдържа големи количества токсични съединения и следователно има проблем с изхвърлянето на отпадъчни води и опасни вещества.
Отрицателните ефекти на геотермалната енергия могат да бъдат проследени на няколко етапа, като се започне с пробиване на кладенец. Тук възникват същите опасности, както при пробиване на който и да е кладенец: унищожаване на земната покривка, замърсяване на почвата и подземните води.
На етапа на работа на GeoPP проблемите със замърсяването на околната среда продължават. Термичните течности - вода и пара - обикновено съдържат въглероден диоксид (CO 2), серен сулфид (H2S), амоняк (NH3), метан (CH4), натриев хлорид (NaCl), бор (В), арсен (As ), живак (Hg). При изхвърляне в околната среда те се превръщат в източници на замърсяването му. В допълнение, агресивната химическа среда може да причини корозия на структурите на GeoTES.
В същото време емисиите на замърсители в GeoPP са средно по-ниски, отколкото в ТЕЦ-овете. Например, емисиите на въглероден диоксид за киловатчас на произведена електроенергия са до 380 g при GeoPP, 1042 g в ТЕЦ на въглища, 906 g в мазута и 453 g в ТЕЦ на газ.
Възниква въпросът: какво да правя с отпадните води? С ниска соленост може да се изхвърли в повърхностните води след охлаждане. Друг начин е да се изпомпва обратно във водоносното гориво чрез инжекционен кладенец, който в момента и за предпочитане се използва.
Извличането на термална вода от водоносни хоризонти (както и изпомпването на обикновена вода) може да причини утаяване и придвижване на почвата, други деформации на геоложки слоеве и микротресения. Вероятността за подобни явления по правило е малка, въпреки че са регистрирани изолирани случаи (например в GeoPP в Staufen im Breisgau в Германия).
Трябва да се подчертае, че по-голямата част от GeoPP се намират в сравнително слабо населени територии и в страни от трети свят, където екологичните изисквания са по-малко строги, отколкото в развитите страни. Освен това в момента броят на GeoPP и техният капацитет са сравнително малки. С по-широкото развитие на геотермалната енергия рисковете за околната среда могат да се увеличават и увеличават.
Колко енергия има земята?
Инвестиционните разходи за изграждането на геотермални системи варират в много широк диапазон - от $ 200 до $ 5000 за 1 kW инсталирана мощност, тоест най-евтините варианти са сравними с разходите за изграждане на топлоелектрическа централа. Те зависят на първо място от условията на възникване на термалните води, техния състав и дизайн на системата. Пробиване на големи дълбочини, създаване на затворена система с два кладенеца, необходимостта от пречистване на водата може да умножи разходите.
Например инвестициите в създаването на петротермална циркулационна система (CCP) се оценяват на 1,6–4 хиляди долара за 1 kW инсталирана мощност, което надвишава разходите за изграждане на атомна електроцентрала и е сравнимо с разходите за изграждане на вятърни и слънчеви централи.
Очевидното икономическо предимство на GeoTES е неговият безплатен източник на енергия. За сравнение, в структурата на разходите на работеща ТЕЦ или АЕЦ горивото представлява 50–80% или дори повече, в зависимост от текущите цени на енергията. Следователно, още едно предимство на геотермалната система: експлоатационните разходи са по-стабилни и предвидими, защото не зависят от външната среда на цените на енергията. Като цяло експлоатационните разходи на GeoTES се изчисляват на 2–10 цента (60 копейки - 3 рубли) за 1 кВтч производствена мощност.
Втората най-голяма (след значителни разходи за енергия) по правило е заплатата на персонала на централата, която може да варира коренно в различните страни и региони.
Средно себестойността на 1 кВтч геотермална енергия е сравнима с тази за ТЕЦ (в руски условия - около 1 руб. / 1 \u200b\u200bкВтч) и десет пъти по-висока от цената на производство на електроенергия в водноелектрическите централи (5-10 копейки / 1 кВтч. ).
Част от причината за високата цена е, че за разлика от топло и хидравличните централи, GeoTES има сравнително малък капацитет. Освен това е необходимо да се сравняват системи, разположени в един и същ регион и в подобни условия. Така например в Камчатка, според експерти, 1 кВтч геотермална електроенергия струва 2-3 пъти по-евтино от електроенергията, произведена в местни ТЕЦ.
Показателите за икономическа ефективност на геотермалната система зависят например от това дали е необходимо да се изхвърлят отпадъчните води и по какви начини да се извършва, дали е възможно комбинирано използване на ресурса. Така химичните елементи и съединенията, извлечени от термалната вода, могат да осигурят допълнителен доход. Нека си припомним примера на Лардерела: химическото производство е било първостепенно там, а използването на геотермална енергия първоначално е спомагателно в природата.
Геотермални напред
Геотермалната енергия се развива малко по-различно от вятърната и слънчевата. В момента това зависи в много по-голяма степен от естеството на самия ресурс, който варира драстично в зависимост от региона, а най-високите концентрации са свързани с тесни зони на геотермални аномалии, обикновено свързани с области на развитие на тектонски разломи и вулканизъм.
Освен това геотермалната енергия е по-малко технологична в сравнение с вятърната и още повече със слънчевата енергия: системите на геотермалните станции са доста прости.
В общата структура на световното производство на електроенергия геотермалният компонент представлява по-малко от 1%, но в някои региони и страни делът му достига 25-30%. Поради геоложки условия значителна част от геотермалните енергийни мощности са съсредоточени в страни от трети свят, където се отличават три групи от най-голямото развитие на индустрията - островите в Югоизточна Азия, Централна Америка и Източна Африка. Първите два региона са включени в тихоокеанския "огнен пояс на Земята", третият е обвързан с източноафриканския пролом. Най-вероятно геотермалната енергия ще продължи да се развива в тези зони. По-далечна перспектива е развитието на петротермална енергия, използвайки топлината на слоевете земя, лежащи на дълбочина от няколко километра. Това е практически широко разпространен ресурс, но добивът му е скъп, следователно петротермалната енергия се развива предимно в най-икономическите и технологично мощни страни.
Като цяло, предвид широкото разпределение на геотермалните ресурси и приемливото ниво на екологична безопасност, има основание да се смята, че геотермалната енергия има добри перспективи за развитие. Особено с нарастващата заплаха от дефицит на традиционните енергийни източници и повишаването на цените за тях.
От Камчатка до Кавказ
В Русия развитието на геотермалната енергия има доста дълга история и по редица позиции сме сред световните лидери, въпреки че делът на геотермалната енергия в общия енергиен баланс на огромна държава все още е незначителен.
Два региона станаха пионери и центрове за развитие на геотермалната енергия в Русия - Камчатка и Северен Кавказ, а ако в първия случай говорим предимно за електроенергийната промишленост, то във втория - за използването на топлинна енергия на термалната вода.
В Северен Кавказ - в Краснодарския край, Чечения, Дагестан - топлината на термалните води за енергийни цели е била използвана още преди Великата отечествена война. През 1980-1990-те години развитието на геотермалната енергия в региона е в застой по очевидни причини и досега не е излязло от състояние на застой. Независимо от това, геотермалното водоснабдяване в Северен Кавказ осигурява топлина на около 500 хиляди души, а например град Лабинск в Краснодарския край с население от 60 хиляди души е напълно отопляван от геотермални води.
В Камчатка историята на геотермалната енергия е свързана преди всичко с изграждането на ГеоПП. Първата от тях, все още оперираща станции Pauzhetskaya и Paratunskaya, е построена през 1965-1967 г., докато GeoPP Paratunskaya с мощност 600 kW е първата станция в света с двоичен цикъл. Това е разработено от съветските учени С. С. Кутателадзе и А. М. Розенфелд от Института по термофизика SB RAS, които получават през 1965 г. удостоверение за авторско право за извличане на електричество от вода с температура 70 ° C. Впоследствие тази технология се превърна в прототип за повече от 400 бинарни геоелектроцентрали в света.
Капацитетът на GeoPP Pauzhetskaya, пуснат в експлоатация през 1966 г., първоначално възлиза на 5 MW и впоследствие е увеличен до 12 MW. В момента в станцията се изгражда бинарен блок, който ще увеличи мощността си с още 2,5 MW.
Развитието на геотермалната енергия в СССР и Русия беше възпрепятствано от наличието на традиционни енергийни източници - нефт, газ, въглища, но тя никога не спря. В момента най-големите съоръжения за геотермална енергия са Верхне-Мутновская геоцентрала с обща мощност 12 MW силови агрегати, въведени в експлоатация през 1999 г., и Mutnovskaya GeoPP с мощност 50 MW (2002 г.).
Mutnovskaya и Verkhne-Mutnovskaya GeoPP са уникални обекти не само за Русия, но и в световен мащаб. Станциите са разположени в подножието на вулкана Мутновски, на надморска височина от 800 метра, и работят в екстремни климатични условия, където 9-10 месеца в годината е зима. Оборудването на геопроцесорите Mutnovsky, понастоящем едни от най-модерните в света, е изцяло създадено в местните предприятия на енергетиката.
Понастоящем делът на станциите Мутновски в общата структура на потреблението на енергия в централния енергиен център Камчатка е 40%. През следващите години се планира увеличаване на капацитета.
Отделно трябва да се каже и за руските петротермични разработки. Ние нямаме големи DSP, но имаме модерни технологии за пробиване на голяма дълбочина (около 10 км), които също нямат аналози в света. По-нататъшното им развитие ще намали драстично разходите за създаване на петротермални системи. Разработчиците на тези технологии и проекти са Н. А. Гнатус, М. Д. Хуторской (Геологически институт на Руската академия на науките), А. С. Некрасов (Институт за икономическо прогнозиране на Руската академия на науките) и специалисти от турбинния завод в Калуга. Сега проектът на системата за петротермална циркулация в Русия е на експериментален етап.
Геотермалната енергия има перспективи в Русия, макар и сравнително отдалечена: в момента потенциалът е доста голям и позицията на традиционната енергия е силна. В същото време в редица отдалечени региони на страната използването на геотермална енергия е икономически изгодно и търсено в момента. Това са територии с висок геоенергиен потенциал (Чукотка, Камчатка, Курили - руската част на тихоокеанския „огнен пояс на Земята“, планини в Южен Сибир и Кавказ) и в същото време са отдалечени и откъснати от централизирано енергоснабдяване.
Вероятно през следващите десетилетия геотермалната енергия у нас ще се развива именно в такива региони.
Във вертикалните колектори енергията се взема от земята с помощта на геотермални земни сонди. Това са затворени системи с кладенци с диаметър 145-150 мм и дълбочина от 50 до 150 м, през които се полагат тръби. В края на тръбопровода е монтиран възвратен U лакът. Обикновено инсталирането се извършва с помощта на сонда с една верига с 2x d40 тръби („шведска система“) или сонда с две вериги с 4 d d32 тръби. Байпасните сонди трябва да постигнат 10-15% по-голямо отстраняване на топлина. За кладенци, по-дълги от 150 m, трябва да се използват тръби 4xd40 (за да се намалят загубите на налягане).
Понастоящем повечето кладенци за събиране на топлина от земята имат дълбочина 150 м. На по-голяма дълбочина може да се получи повече топлина, но в същото време разходите за такива кладенци ще бъдат много високи. Затова е важно предварително да се изчислят разходите за инсталиране на вертикален колектор в сравнение с прогнозните бъдещи спестявания. В случай на инсталиране на система за активно пасивно охлаждане, по-дълбоките кладенци не се правят поради по-високата температура в почвата и по-ниския потенциал в момента на пренос на топлина от разтвора в околната среда. Сместа против замръзване (алкохол, глицерин, гликол) циркулира в системата, разредена с вода до желаната консистенция без замръзване. В термопомпата тя пренася топлината, отнемана от земята, към хладилния агент. Температурата на земята на дълбочина 20 m е приблизително 10 ° C и се повишава на всеки 30 m с 1 ° C. Не се влияе от климатичните условия и затова човек може да разчита на висококачествен подбор на енергия както през зимата, така и през лятото. Трябва да се добави, че температурата в земята е малко по-различна в началото на сезона (септември-октомври) от температурата в края на сезона (март-април). Ето защо е необходимо да се вземе предвид продължителността на отоплителния сезон на мястото на монтаж, когато се изчислява дълбочината на вертикалните колектори.
Когато приемате топлина с помощта на геотермални вертикални сонди, правилните изчисления и проектирането на колекторите са много важни. За да проведете компетентни изчисления, трябва да знаете дали е възможно пробиване на мястото на монтаж до желаната дълбочина.
Топлинната помпа с мощност 10kW изисква приблизително 120-180 м кладенец. Кладенците трябва да бъдат поставени на разстояние най-малко 8 м. Броят и дълбочината на кладенците зависи от геоложките условия, наличието на подземни води, способността на почвата да задържа топлина и технологията на пробиване. При пробиване на множество кладенци общата желана дължина на кладенеца се дели на броя на кладенците.
Предимството на вертикалния колектор пред хоризонталния е по-малко парче земя за използване, по-стабилен източник на топлина и независимост на топлинния източник при метеорологични условия. Недостатъкът на вертикалните колектори е високата цена на изкопа и постепенното охлаждане на земята в близост до колектора (необходими са компетентни изчисления на необходимата мощност по време на проектирането).
Изчисляване на необходимата дълбочина на кладенците
Информация, необходима за предварително изчисляване на дълбочината и броя на кладенците:
Мощност на термопомпата
Избран тип отопление - "топли подове", радиатори, комбинирани
Прогнозен брой часове на работа на термопомпата годишно, покриващи енергийните нужди
Място на монтаж
Използване на геотермален кладенец - отопление, отопление с гореща вода, сезонно отопление на басейна, целогодишно отопление на басейна
Използване на пасивната (активна) функция за охлаждане в обект
Обща годишна консумация на топлина за отопление (MV / h)
Повърхностният слой на земната почва е естествен акумулатор на топлина. Основният източник на топлинна енергия, постъпваща в горните слоеве на Земята, е слънчевата радиация. На дълбочина около 3 m или повече (под нивото на замръзване) температурата на почвата остава практически непроменена през цялата година и е приблизително равна на средната годишна външна температура. На дълбочина 1,5-3,2 м през зимата температурата е от +5 до + 7 ° C, а през лятото от +10 до + 12 ° C. Тази топлина може да попречи на къщата да замръзне през зимата и да предотврати прегряване през лятото над 18 -20 ° С
Най-лесният начин да използвате топлината на земята е да използвате почвен топлообменник (VET). Под земята, под нивото на замръзване на почвата, се полага система от въздуховоди, които изпълняват функцията на топлообменник между земята и въздуха, който преминава през тези въздуховоди. През зимата постъпващият студен въздух, който влиза и преминава през тръбите, се нагрява, а през лятото се охлажда. С рационалното поставяне на въздуховоди, значително количество топлинна енергия може да се вземе от почвата с ниски енергийни разходи.
Може да се използва топлообменник с тръба в тръбата. Вътрешните канали от неръждаема стомана действат като рекуператори.
Лятно охлаждане
В топлия сезон почвеният топлообменник осигурява охлаждане на подавания въздух. Външният въздух навлиза чрез устройство за всмукване на въздух в почвен топлообменник, където се охлажда от почвата. След това охладеният въздух се подава по въздухопроводи към захранващото и изпускателното устройство, в което за летния период е инсталирана лятна вложка вместо рекуператора. Благодарение на това решение температурата в помещенията намалява, микроклимата в къщата се подобрява и се намаляват разходите за енергия за климатизация. Работете в извънсезонния период
Когато разликата между температурата на външния и вътрешния въздух е малка, може да се подава свеж въздух през захранващата решетка, разположена на стената на къщата в надземната част. В периода, когато разликата е значителна, подаването на свеж въздух може да се извърши чрез PTO, осигурявайки загряване / охлаждане на подавания въздух. Зимни спестявания
В студения сезон външният въздух навлиза през всмукателното устройство в ПОО, където се загрява и след това влиза в захранващия и изпускателния блок за отопление в топлообменника. Предварителното загряване на въздуха в ПОО намалява вероятността от обледеняване на рекуператора на захранващия и изпускателния блок, увеличавайки ефективното време за използване на рекуперацията и свеждайки до минимум разходите за допълнително загряване на въздуха във водонагревателя. Как се изчисляват разходите за отопление и охлаждане на въздуха
Можете предварително да изчислите разходите за отопление на въздуха през зимата за помещението, в което въздухът влиза със стандарт от 300 м3 / час. През зимата средната дневна температура за 80 дни е -5 ° C - трябва да се нагрее до + 20 ° C. За да загреете това количество въздух, трябва да харчите 2,55 кВт на час (при липса на система за възстановяване на топлината). Когато използвате геотермална система, външният въздух се нагрява до +5, а след това 1,02 кВт отнема за затопляне на входящия въздух до комфортен. Ситуацията е още по-добра, когато използвате възстановяване - трябва да харчите само 0,714 кВт. За период от 80 дни ще се изразходват съответно 2448 кВтч топлинна енергия, а геотермалните системи ще намалят разходите с 1,175 или 685 кВтч.
В извън сезона за 180 дни средната дневна температура е + 5 ° C - трябва да се нагрее до + 20 ° C. Планираните разходи са 3305 kW * h, а геотермалните системи ще намалят разходите с 1322 или 1102 kW * h.
През лятото за 60 дни средната дневна температура е около + 20 ° C, но в рамките на 8 часа тя е в рамките на + 26 ° C. Разходите за охлаждане ще бъдат 206 kW * h, а геотермалната система ще намали разходите със 137 kW * h.
В течение на една година работата на такава геотермална система се оценява с помощта на коефициента - SPF (сезонен коефициент на мощност), който се определя като съотношението на количеството получена топлинна енергия към количеството консумирана електрическа енергия, като се вземат предвид сезонните промени в температурата на въздуха / почвата.
За да се получи 2634 кВтч топлинна мощност от почвата, 635 кВтч електроенергия се изразходва годишно от вентилационния блок. SPF \u003d 2634/635 \u003d 4,14.
Според материалите.
Температурата на почвата се променя непрекъснато в дълбочина и време. Зависи от редица фактори, от които много е трудно да се отчетат. Последните например включват: естеството на растителността, излагането на склона към кардиналните точки, засенчването, снежната покривка, естеството на самата почва, наличието на вечно замръзнали води и др. Температурата на почвата, както по големина, така и по характер на разпространение, се запазва от година на година достатъчно стабилна и решаващото влияние тук остава върху температурата на въздуха.
Температура на почвата на различни дълбочинии през различно време на годината могат да бъдат получени чрез директни измервания в термични кладенци, които се полагат в процеса на изследване. Но този метод изисква продължителни наблюдения и значителни разходи, което не винаги е оправдано. Данните, получени от един или два кладенци, се разпространяват на големи площи и дължини, което значително изкривява реалността, така че изчислените данни за температурата на почвата в много случаи се оказват по-надеждни.
Температура на почвата вечна замръзванена всяка дълбочина (до 10 м от повърхността) и за всеки период от годината може да се определи по формулата:
tr \u003d mt °, (3.7)
където z е дълбочината, измерена от VGM, m;
tr - температура на почвата на дълбочина z, в градус.
τr - време, равно на година (8760 h);
τ е времето, отброено напред (до 1 януари) от момента на започване на есенното замръзване на почвата до момента, за който се отчита температурата, в часове;
exp x - експонент (експоненциалната функция exp е взета от таблиците);
m - коефициент в зависимост от периода на годината (за периода октомври - май m \u003d 1,5-0,05z, а за периода юни-септември m \u003d 1)
Най-ниската температура на дадена дълбочина ще бъде, когато косинусът във формула (3.7) стане -1, т.е. минималната температура на почвата за година на тази дълбочина е
tr min \u003d (1.5-0.05z) t °, (3.8)
Максималната температура на почвата на дълбочина z ще бъде, когато косинусът вземе стойност, равна на единица, т.е.
tr max \u003d t °, (3.9)
И в трите формули обемната стойност на топлоемкостта С m трябва да се изчисли за температурата на почвата t °, съгласно формулата (3.10).
C 1 m \u003d 1 / W, (3.10)
Температура на почвата в сезонен размразяващ слойможе да се определи и чрез изчисляване, като се вземе предвид, че температурната промяна в този слой е доста точно приблизителна чрез линейна зависимост при следните температурни градиенти (таблица 3.1).
След като се изчисли съгласно една от формулите (3.8) - (3.9) температурата на почвата на нивото на VGM, т.е. поставяйки във формулите Z \u003d 0, след това с помощта на таблица 3.1 определяме температурата на почвата на дадена дълбочина в слоя на сезонно размразяване. В най-горните слоеве на почвата, на около 1 м от повърхността, естеството на температурните колебания е много сложно.
Таблица 3.1
Температурен градиент в слой от сезонно размразяване на дълбочина под 1 m от повърхността на земята
Забележка. Знакът на градиента е показан към повърхността.
За да получите прогнозната температура на почвата в метров слой от повърхността, можете да направите следното. Изчислете температурата на дълбочина 1 m и температурата на дневната повърхност на почвата и след това, като интерполирате от тези две стойности, определете температурата на дадена дълбочина.
Температурата на почвената повърхност t p в студения сезон може да се приеме равна на температурата на въздуха. През летния период:
t p \u003d 2 + 1,15 t в, (3.11)
където t p - повърхностна температура в градуси.
t в - температура на въздуха в градуси.
Температура на почвата с несъединяващ се криолитозон изчислени по различен начин, отколкото при сливане. На практика можем да предположим, че температурата на нивото на VGM ще бъде равна на 0 ° C през цялата година. Изчислената температура на почвата за вечна замръзване на дадена дълбочина може да бъде определена чрез интерполация, като се приеме, че тя варира линейно от t ° на дълбочина от 10 m до 0 ° C на дълбочина на VGM. Температурата в стопявания слой h t може да бъде от 0,5 до 1,5 ° C.
В сезонния слой за замръзване h p, температурата на почвата може да се изчисли по същия начин, както за сезонен размразяващ слой на зоната за сливане на вечна замръзване, т.е. в слоя h p - 1 m според температурния градиент (таблица 3.1), като се има предвид температурата на дълбочина h p, равна на 0 ° C в студения сезон и 1 ° C през лятото. В горния метров почвен слой температурата се определя чрез интерполация между температурата на дълбочина 1 m и повърхностната температура.