Температурата вътре в земята.   Определянето на температурата в земните обвивки се основава на различни, често косвени данни. Най-надеждните данни за температурата се отнасят до най-горната част на земната кора, която е изложена от мини и сондажи до максимална дълбочина 12 км (сондаж на Кола).

Нарича се повишаване на температурата в градуси по Целзий за единица дълбочина геотермален градиент   и дълбочината в метри, по време на която температурата се увеличава с 1 0 С - геотермален етап.   Геотермалният градиент и съответно геотермалният етап варират в зависимост от географските условия, в зависимост от геоложки условия, ендогенна активност в различни области, а също и от разнородна топлопроводимост на скалите. Освен това, според Б. Гутенберг, границите на колебанията се различават повече от 25 пъти. Пример за това са два рязко различни наклона: 1) 150 o на 1 км в щата Орегон (САЩ), 2) 6 o на 1 км, регистриран в Южна Африка. Съответно на тези геотермални градиенти, геотермалният етап също се променя от 6,67 m в първия случай на 167 m във втория. Най-често срещаните колебания на градиента са в диапазона 20-50 o, а геотермалният етап -15-45 м. Средният геотермален градиент отдавна е приет при 30 o C на 1 km.

Според В. Н. Жарков геотермалният градиент в близост до земната повърхност се оценява на 20 o C на 1 км. Ако изхождаме от тези две стойности на геотермалния градиент и неговата неизменност в дълбочините на Земята, тогава на дълбочина от 100 км е трябвало да има температура 3000 или 2000 o C. Това обаче е в разрез с действителните данни. Именно на тези дълбочини периодично възникват камери на магмата, от които тя се влива в повърхността на лавата, която има максимална температура 1200-1250 o. Като се има предвид този вид "термометър", редица автори (В. А. Любимов, В. А. Магнитски) смятат, че на дълбочина 100 км температурата не може да надвишава 1300-1500 o C.

При по-високи температури скалите на мантията биха се разтопили напълно, което противоречи на свободното преминаване на напречните сеизмични вълни. По този начин средният геотермален градиент може да се проследи само до сравнително малка дълбочина от повърхността (20-30 км) и след това трябва да намалее. Но дори и в този случай, на едно и също място промяната на температурата с дълбочина е неравномерна. Това може да се види в примера за температурни промени с дълбочина покрай кладенеца Кола, разположен в рамките на стабилен кристален щит на платформата. При полагане на този кладенец се изчислява геотермален градиент от 10 o на 1 км и следователно при проектна дълбочина (15 km) се очаква температура около 150 o C. Въпреки това, такъв наклон е само до дълбочина 3 km, след което той започва да се увеличава с 1,5 -2.0 пъти. На дълбочина 7 км температурата е била 120 o C, на 10 km -180 o C, при 12 km -220 o C. Предполага се, че на проектната дълбочина температурата ще бъде близка до 280 o C. Втори пример са данните за кладенец на север Прикаспийските крайбрежни райони, в района на по-активен ендогенен режим. В него на дълбочина 500 m температурата се оказа 42,2 o C, при 1500 m-69,9 o C, при 2000 m-80,4 o C, при 3000 m - 108,3 o C.

Каква е температурата в по-дълбоките зони на мантията и сърцевината на Земята? Получени са повече или по-малко надеждни данни за температурата на основата на слоя в горната мантия (вж. Фиг. 1.6). Според В. Н. Жарков "подробни проучвания на фазовата диаграма на Mg 2 SiO 4 - Fe 2 Si0 4 направиха възможно определянето на референтната температура на дълбочина, съответстваща на първата зона на фазови преходи (400 km)" (т.е. преходът на оливин към шпинел). Температурата тук в резултат на тези изследвания е около 1600 50 o C.

Въпросът за разпределението на температурата в мантията под слой Б и земното ядро \u200b\u200bвсе още не е решен и затова се изразяват различни идеи. Можем само да предположим, че температурата нараства с дълбочина със значително намаляване на геотермалния градиент и увеличаване на геотермалния етап. Да приемем, че температурата в земното ядро \u200b\u200bе в границите 4000-5000 o C.

Средният химичен състав на Земята. За да се съди по химичния състав на Земята, се използват данни за метеорити, които са най-вероятните проби от протопланетен материал, от който са се образували земните планети и астероиди. Към днешна дата много метеорити, които са паднали на Земята по различно време и на различни места, са добре проучени. Три вида метеорити се отличават по състав: 1) желязо, състоящ се главно от никелово желязо (90-91% Fe), с малко примеси от фосфор и кобалт; 2) железни камъни   (сидеролити), състоящи се от желязо и силикатни минерали; 3) камък   или aerolites,   състоящ се главно от железно-магнезиеви силикати и включения от никелово желязо.

Каменните метеорити са най-широко разпространени - около 92,7% от всички находки, железен камък 1,3% и желязо 5,6%. Каменните метеорити се разделят на две групи: а) хондрити с малки заоблени зърна - хондри (90%); б) ахондрит, който не съдържа хондри. Съставът на каменните метеорити е близък до ултрабазичните магмени скали. Според М. Bott, те съдържат около 12% от желязо-никеловата фаза.

Въз основа на анализ на състава на различни метеорити, както и получени експериментални геохимични и геофизични данни, редица изследователи дават съвременна оценка на брутния елементен състав на Земята, представен в табл. 1.3.

Както се вижда от таблицата, увеличеното разпределение се отнася до четирите най-важни елемента - O, Fe, Si, Mg, съдържащи повече от 91%. Групата на по-рядко срещаните елементи включва Ni, S, Ca, A1. Останалите елементи на периодичната таблица в глобален мащаб за общо разпределение са от второстепенно значение. Ако сравним данните със състава на земната кора, можем ясно да видим съществена разлика, която се състои в рязко намаляване на O, A1, Si и значително увеличение на Fe, Mg и появата на забележими количества S и Ni.

Фигурата на Земята се нарича геоид.   За дълбоката структура на Земята се съди по надлъжни и напречни сеизмични вълни, които, разпространявайки се вътре в Земята, изпитват пречупване, отражение и затихване, което показва стратификацията на Земята. Има три основни области:

земна кора;

мантия: горна до дълбочина 900 км, долна до дълбочина 2900 км;

ядрото на Земята е външно на дълбочина 5120 км, вътрешно до 6371 км.

Вътрешната топлина на Земята се свързва с разпадането на радиоактивни елементи - уран, торий, калий, рубидий и др. Средният топлинен поток е 1,4-1,5 µcal / cm 2. s.

1. Какви са формата и размерите на земята?

2. Какви са методите за изследване на вътрешната структура на Земята?

3. Каква е вътрешната структура на земята?

4. Какви сеизмични участъци от първи ред ясно се разграничават при анализа на структурата на Земята?

5. На какви граници отговарят участъците на Мохорович и Гутенберг?

6. Каква е средната плътност на Земята и как тя се променя на границата на мантията и ядрото?

7. Как се променя топлинният поток в различни зони? Как се разбира промяната в геотермалния градиент и геотермалния етап?

8. Какви данни се използват за определяне на средния химичен състав на Земята?

литература

• Войткевич Г.В.   Основи на теорията за произхода на Земята. М., 1988.

• Жарков В.Н.   Вътрешната структура на Земята и планетите. М., 1978.

• Магнитски В.А.   Вътрешната структура и физиката на Земята. М., 1965.

• Скици   сравнителна планетология. М., 1981.

• Ringwood A.E.   Състав и произход на Земята. М., 1981.

Описание:

За разлика от „прякото“ използване на високо-потенциална геотермална топлина (хидротермални ресурси), използването на почвата от повърхностните слоеве на Земята като източник на ниско-потенциална топлинна енергия за геотермални системи за топлинна помпа (GTST) е възможно почти навсякъде. Понастоящем в света това е една от най-динамично развиващите се зони за използване на нетрадиционни възобновяеми енергийни източници.

Геотермални отоплителни системи с термопомпа и ефективността на тяхното използване в климатичните условия на Русия

Г. П. Василиев, Научен директор на INSOLAR-INVEST OJSC

За разлика от „прякото“ използване на високо-потенциална геотермална топлина (хидротермални ресурси), използването на почвата от повърхностните слоеве на Земята като източник на ниско-потенциална топлинна енергия за геотермални системи за топлинна помпа (GTST) е възможно почти навсякъде. Понастоящем в света това е една от най-динамично развиващите се зони за използване на нетрадиционни възобновяеми енергийни източници.

Почвата на повърхностните слоеве на Земята всъщност е топлинен акумулатор с неограничена мощност. Топлинният режим на почвата се формира под въздействието на два основни фактора - инцидент върху повърхността на слънчевата радиация и потокът на радиогенна топлина от недрата на земята. Сезонните и ежедневните промени в интензивността на слънчевата радиация и температурата на външния въздух причиняват температурни колебания в горните слоеве на почвата. Дълбочината на проникване на дневните колебания в температурата на външния въздух и интензивността на падащата слънчева радиация, в зависимост от конкретните почвени и климатични условия, варира от няколко десетки сантиметра до един и половина метра. Дълбочината на проникване на сезонните колебания в температурата на външния въздух и интензивността на падащата слънчева радиация по правило не надвишава 15–20 m.

Топлинният режим на почвените слоеве, разположени под тази дълбочина ("неутрална зона"), се формира под въздействието на топлинната енергия, идваща от недрата на Земята и практически не зависи от сезонните и още повече ежедневни промени в параметрите на външния климат (фиг. 1). С увеличаване на дълбочината температурата на почвата също се повишава в съответствие с геотермалния градиент (приблизително 3 ° С на всеки 100 м). Големината на потока радиогенна топлина, идваща от недрата на земята, варира за различните места. По правило тази стойност е 0,05-0,12 W / m 2.

Фигура 1

По време на работа с GTST почвената маса, разположена в зоната, засегната от топлината, в регистъра на тръбите на почвения топлообменник на ниско-потенциалната почвена система за събиране на топлина (система за събиране на топлина), в резултат на сезонни промени в климата на открито, както и под влияние на експлоатационните натоварвания върху системата за събиране на топлина, обикновено се подлага на многократно замръзване и размразяване. В този случай, естествено, има промяна в състоянието на агрегация на влага, съдържаща се в порите на почвата и разположена в общия случай както в течната, така и в твърдата и газообразна фаза едновременно. Освен това в капилярно-порестите системи, която представлява почвената маса на системата за събиране на топлина, наличието на влага в порно пространството осезаемо влияе върху процеса на разпределение на топлината. Правилното отчитане на това влияние днес е изпълнено със значителни затруднения, които на първо място са свързани с липсата на ясни представи за характера на разпределението на твърди, течни и газообразни фази на влага в една или друга структура на системата. Ако има температурен градиент в дебелината на почвената маса, молекулите на водната пара се преместват на места с по-нисък температурен потенциал, но в същото време под въздействието на гравитационните сили се получава противоположно насочен поток от влага в течната фаза. В допълнение, температурата на горните слоеве на почвата се влияе от атмосферната влага на влагата, както и от подземните води.

Така наречената „информационна несигурност“ на математическите модели, описващи подобни процеси, или с други думи липсата на надеждна информация за въздействието върху системата на околната среда (атмосфера и почвена маса, разположени извън зоната, засегната от топлината на почвения топлообменник на системата за събиране на топлина) и изключителната сложност на тяхното сближаване. В действителност, ако сближаването на въздействията върху климатичната система на открито, макар и сложно, все пак може да се реализира с определени разходи за „компютърно време“ и използването на съществуващи модели (например „типична климатична година“), тогава проблемът с отчитането на атмосферните ефекти в модела въздействия (роса, мъгла, дъжд, сняг и т.н.), както и сближаване на топлинния ефект върху почвената маса на системата за събиране на топлина на подлежащите и околните почвени слоеве, днес е практически неразтворима и би могла завъртете предмет на отделни проучвания. Така например, ниските познания за процесите на образуване на филтрационни потоци от подземни води, техния режим на скоростта, както и невъзможността за получаване на достоверна информация за условията на топлина и влажност на почвените слоеве под засегнатата от топлината зона на наземния топлообменник, значително усложнява задачата за изграждане на правилен математически модел на топлинния режим на ниско-потенциалната система за събиране на топлина. земята.

За преодоляване на описаните трудности, възникващи при проектирането на GTST, може да се препоръча методът на математическо моделиране на топлинния режим на почвените системи за събиране на топлина, създаден и тестван на практика, както и методът за отчитане на фазови преходи на влага в порно пространство на почвения масив от системи за събиране на топлина.

Същността на метода се състои в разглеждането, когато се конструира математически модел, разликата между два проблема: „основният“ проблем, който описва почвения термичен режим в естественото му състояние (без влиянието на почвения топлообменник на системата за събиране на топлина), и проблемът, който се решава, който описва топлинния режим на почвената маса с топлинни радиатори (източници). В резултат на това методът позволява да се получи решение за определена нова функция, която е функция от влиянието на топлинните поглъщания върху естествения термичен режим на почвата и равната температурна разлика между почвената маса в естествено състояние и масата на почвата с дренажи (източници на топлина) - с наземния топлообменник на системата за събиране на топлина. Използването на този метод при конструирането на математически модели на топлинния режим на системи за събиране на топлинна енергия с нисък потенциал дава възможност не само да се заобикалят трудностите, свързани с приближаването на външните влияния върху системата за събиране на топлина, но и да се използва информация за естествения топлинен режим на почвата, експериментално получена от метеорологичните станции. Това ви позволява частично да вземете под внимание целия комплекс от фактори (като наличието на подземни води, тяхната скорост и топлинни режими, структурата и местоположението на почвените слоеве, "топлинния" фон на Земята, валежите, фазовите преобразувания на влагата в пространството на порите и много други), които влияят значително формирането на топлинния режим на системата за събиране на топлина и съвместното отчитане на които в строго изложение на проблема е практически невъзможно.

Методът за отчитане на проектирането на GTFs на фазовите преходи на влага в порно пространство на почвената маса се основава на новата концепция за „еквивалентна“ почвена топлопроводимост, която се определя чрез замяна на проблема с термичния режим на почвения цилиндър, замръзнал около тръбите на почвения топлообменник, с „еквивалентен“ квазистационарен проблем с близко температурно поле и същата граница условия, но с друга "еквивалентна" топлопроводимост.

Най-важната задача, която трябва да бъде решена при проектирането на геотермални системи за топлоснабдяване на сгради, е подробна оценка на енергийния потенциал на климата на строителната зона и на тази основа изготвяне на заключение относно ефективността и осъществимостта на прилагане на една или друга схема на GTST. Изчислените стойности на климатичните параметри, дадени в настоящите регулаторни документи, не дават пълно описание на климата на открито, неговата променливост по месеци, а също и в определени периоди на годината - отоплителния сезон, периодът на прегряване и др. Затова, когато решавате температурния потенциал на геотермалната топлина, оценявайки възможността за нейното комбинация с други естествени източници на топлина с нисък потенциал, оценки на тяхното (източници) температурно ниво в годишния цикъл, е необходимо да се привлекат по-пълни климатични фактори данни, цитирани например в Наръчника за климата на СССР (L .: Gidromethioizdat. Issue 1–34).

Сред такава информация за климата в нашия случай трябва да се разграничи на първо място:

- данни за средната месечна температура на почвата на различни дълбочини;

- данни за пристигането на слънчева радиация върху различни ориентирани повърхности.

В таблицата. Фигури 1–5 показват данни за средните месечни температури на почвата на различни дълбочини за някои градове на Русия. В таблицата. Фигура 1 показва средните месечни почвени температури в 23 града на Руската федерация на дълбочина 1,6 m, което изглежда е най-рационално по отношение на температурния потенциал на почвата и възможностите за механизиране на производството на хоризонтални наземни топлообменници.

Таблица 1 Средномесечни почвени температури на дълбочина от 1,6 m за някои градове в Русия

град аз II III IV V VI VII VIII IX X XI XII Архангелск 4,0 3,5 3,1 2,7 2,5 3,0 4,5 6,0 7,1 7,0 6,1 4,9 Астрахан 7,5 6,1 5,9 7,3 11 14,6 17,4 19,1 19,1 16,7 13,6 10,2 Барнаул 2,6 1,7 1,2 1,4 4,3 8,2 11,0 12,4 11,6 9,2 6,2 3,9 Братск 0,4 -0,2 -0,6 -0,5 -0,2 0 3,0 6,8 7,2 5,4 2,9 1,4 Владивосток 3,7 2,0 1,2 1,0 1,5 5,3 9,1 12,4 13,8 12,7 9,7 6,4 Иркутск -0,8 -2,8 -2,7 -1,1 -0,5 -0,2 1,7 5,0 6,7 5,6 3,2 1,2 Комсомолск    на Амур 0,8 -0,4 -0,9 -0,4 0 1,9 6,7 10,5 11,3 9,0 5,5 2,7 Магадан -6,5 -8,0 -8,8 -8,7 -3,9 -2,6 -0,8 0,1 0,4 0,1 -0,2 -2,0 Москва 3,8 3,2 2,7 3,0 6,2 9,6 12,1 13,4 12,5 10,1 7,3 5,0 Мурманск 0,7 0,3 0 -0,3 -0,3 0,2 4,0 6,7 6,6 4,2 2,7 1,0 Новосибирск 2,1 1,2 0,6 0,5 1,3 5,0 9,1 11,3 10,9 8,8 5,8 3,6 Оренбург 4,1 2,6 1,9 2,2 4,9 8,0 10,7 12,4 12,6 11,2 8,6 6,0 къдрене 2,9 2,3 1,9 1,6 3,4 7,2 10,5 12,1 11,5 9,0 6,0 4,0 Петропавловск    Камчатски 2,6 1,9 1,5 1,1 1,2 3,4 6,7 9,1 9,6 8,3 5,6 3,8 Ростов на Дон 8,0 6,6 5,9 6,8 9,9 12,9 15,5 17,3 17,5 15,8 13,0 10,0 Салехард 1,6 1,0 0,7 0,5 0,4 0,9 3,9 6,8 7,1 5,6 3,5 2,3 Сочи 11,2 9,8 9,6 11,0 13,4 16,2 18,9 20,8 21,0 19,2 16,8 13,5 Turukhansk 0,9 0,5 0,2 0 0 0,1 1,6 6,2 6,4 4,5 2,8 1,8 турне -0,9 -0,3 -5,2 -5,3 -3,2 -1,6 -0,7 1,2 2,0 0,7 0 -0,2 Уейлън -6,9 -8,0 -8,6 -8,7 -6,3 -1,2 -0,4 0,1 0,2 0 -0,8 -3,7 Хабаровск 0,3 -1,8 -2,3 -1,1 -0,4 2,5 9,5 13,3 13,5 10,9 6,7 3,0 Якутск -5,6 -7,4 -7,9 -7,0 -4,1 -1,8 0,3 1,5 1,1 0,1 -0,1 -2,4 Ярославъл 2,8 2,2 1,9 1,7 3,9 7,8 10,7 12,4 11,5 9,5 6,3 3,9

Таблица 2 Температура на почвата в Ставропол (почва - чернозем)

Дълбочина, m аз II III IV V VI VII VIII IX X XI XII 0,4 1,2 1,3 2,7 7,7 13,8 17,9 20,3 19,6 15,4 11,4 6,0 2,8 0,8 3,0 1,9 2,5 6,0 11,5 15,4 17,6 17,6 15,3 12,2 7,8 4,6 1,6 5,0 4,0 3,8 5,3 8,8 12,2 14,4 15,7 15,1 12,7 9,7 6,8 3,2 8,9 8,0 7,4 7,4 8,4 9,9 11,3 12,6 13,2 12,7 11,6 10,1

Таблица 3    Температури на почвата в Якутск    (копринено-песъчлива почва, смесена с хумус, пясък отдолу)

Дълбочина, m аз II III IV V VI VII VIII IX X XI XII 0,2 -19,2 -19,4 -16,2 -7,9 4,3 13,4 17,5 15,5 7,0 -3,1 -10,8 -15,6 0,4 -16,8 17,4 -15,2 -8,4 2,5 11,0 15,0 13,8 6,7 -1,9 -8,0 -12,9 0,6 -14,3 -15,3 -13,7 -8,5 0,2 7,9 12,1 11,8 6,2 -0,5 -5,2 -10,3 0,8 -12,4 -14,1 -12,7 -8,4 -1,4 5,0 9,4 9,6 5,3 0 -3,4 -8,1 1,2 -8,7 -10,2 -10,2 -8,0 -3,3 0,1 4,1 5,0 2,8 0 -0,9 -4,9 1,6 -5,6 -7,4 -7,9 -7,0 -4,1 -1,8 0,3 1,5 1,1 0,1 -0,1 -2,4 2,4 -2,6 -4,4 -5,4 -5,6 -4,4 -3,0 -2,0 -1,4 -1,0 -0,9 -0,9 -1,0 3,2 -1,7 -2,6 -3,8 -4,4 -4,2 -3,4 -2,8 -2,3 -1,9 -1,8 -1,6 -1,5

Таблица 4 Температури на почвата в Псков (дъно, глинеста почва, подпочви - глина)

Дълбочина, m аз II III IV V VI VII VIII IX X XI XII 0,2 -0,8 -1,1 -0,3 3,3 11,4 15,1 19 17,2 12,3 6,7 2,6 0,2 0,4 0,6 0 0 2,4 9,6 13,5 16,9 16,5 12,9 7,8 4,2 1,7 0,8 1,7 0,9 0,8 2,0 7,8 11,6 15,0 15,6 13,2 8,8 5,4 2,9 1,6 3,2 2,4 1,9 2,2 5,6 9,2 11,9 13,2 12,0 9,7 6,9 4,6

Таблица 5 Температура на почвата във Владивосток (кафява камениста, рохкава почва)

Дълбочина, m аз II III IV V VI VII VIII IX X XI XII 0,2 -6,1 -5,5 -1,3 2,7 9,3 14,8 18,9 21,2 18,4 11,6 3,2 -2,3 0,4 -3,7 -3,8 -1,1 1,0 7,3 12,7 16,7 19,5 17,5 12,3 5,2 0,2 0,8 -0,1 -1,4 -0,6 0 4,4 10,4 14,2 17,3 17,0 13,5 7,8 2,9 1,6 3,6 2,0 1,3 1,1 2,9 7,7 11,0 14,2 15,4 13,8 10,2 6,4 3,2 8,0 6,4 5,2 4,4 4,2 5,5 7,5 9,4 11,3 12,4 11,7 10

Информацията, представена в таблиците за естествения ход на почвените температури на дълбочина до 3,2 m (тоест в „работещия“ почвен слой за GTST с хоризонтално разположение на почвения топлообменник) ясно илюстрира възможността за използване на почвата като ниско потенциален източник на топлина. Сравнително малкият интервал от промени в температурата на слоевете в Русия, разположени на една и съща дълбочина, е очевиден. Така например, минималната температура на почвата на дълбочина 3,2 m от повърхността в Ставропол е 7,4 ° C, а в Якутск е (–4,4 ° C); съответно интервалът на почвената температура на дадена дълбочина е 11,8 градуса. Този факт ни позволява да разчитаме на създаването на достатъчно унифицирано оборудване за термопомпи, подходящо за работа на почти цялата територия на Русия.

Както се вижда от таблиците, характерна особеност на естествения температурен режим на почвата е забавянето на минималната температура на почвата спрямо времето на пристигане на минималната температура на външния въздух. Минималните температури на открито се наблюдават навсякъде през януари, минимални температури в почвата на дълбочина 1,6 m в Ставропол се наблюдават през март, в Якутск през март, в Сочи през март, във Владивосток през април , По този начин е очевидно, че с появата на минимални температури в почвата, натоварването върху отоплителната система на термопомпата (загуба на топлина в сградите) се намалява. Този момент отваря доста сериозни възможности за намаляване на инсталирания капацитет на GTST (спестяване на капиталови разходи) и трябва да се вземе предвид при проектирането.

За да се оцени ефективността на използването на геотермални системи за топлоснабдяване на термопомпа в климатичните условия на Русия, се извършва зониране на територията на Руската федерация в съответствие с ефективността на използване на ниско-потенциална геотермална топлина за целите на топлоснабдяването. Зонирането е извършено въз основа на резултатите от числени експерименти за симулиране на GTST режими на работа в климатични условия на различни региони на Руската федерация. Числени експерименти бяха проведени на примера на хипотетична двуетажна къщичка с отопляема площ от 200 м 2, оборудвана с геотермална система за подаване на топлинна помпа. Външните сградни обвивки на въпросната къща имат следната намалена устойчивост на топлопреминаване:

- външни стени - 3.2 m 2 h ° C / W;

- прозорци и врати - 0,6 m 2 h ° C / W;

- покрития и тавани - 4,2 m 2 h ° C / W.

При провеждането на числени експерименти се вземат предвид следното:

- система за събиране на почвената топлина с ниска плътност на геотермална консумация на енергия;

- хоризонтална система за събиране на топлина от полиетиленови тръби с диаметър 0,05 m и дължина 400 m;

- система за събиране на почвената топлина с висока плътност на геотермална консумация на енергия;

- вертикална система за събиране на топлина от един термичен кладенец с диаметър 0,16 m и дължина 40 m.

Проучванията показват, че консумацията на топлинна енергия от почвената маса в края на отоплителния сезон причинява намаляване на температурата на почвата в близост до регистъра на тръбите на системата за събиране на топлина, което в почвено-климатичните условия на по-голямата част от Руската федерация няма време да компенсира през летния сезон, а до началото на следващия отоплителен сезон почвата излиза с намален температурен потенциал. Консумацията на топлинна енергия през следващия отоплителен сезон води до по-нататъшно понижаване на температурата на почвата, а до началото на третия отоплителен сезон температурният й потенциал е още по-различен от естествения. И така нататък ... Обаче обвивките на топлинния ефект от продължителната работа на системата за събиране на топлина върху естествената температура на почвата имат подчертан експоненциален характер и до петата година на работа почвата навлиза в нов режим, близък до периодичен, тоест, започващ от петата година експлоатация, дългосрочното потребление на топлинна енергия от почвената маса на системата за събиране на топлина се придружава от периодични промени в нейната температура. По този начин, по време на регионализацията на територията на Руската федерация, беше необходимо да се вземе предвид температурният спад на почвената маса, причинен от дългосрочната експлоатация на системата за събиране на топлина, и да се използват почвените температури, очаквани за 5-тата година на експлоатация на GTS, като изчислени параметри на температурата на почвената маса. Като се има предвид това обстоятелство, при зониране на територията на Руската федерация според ефективността на използване на GTS, средният коефициент на топлопреобразуване K p tr за 5-тата година на експлоатация е избран като критерий за ефективността на системата за топлоснабдяване на геотермалната термопомпа, която е съотношението на полезната топлинна енергия, генерирана от GTS, към енергията, изразходвана за неговото задвижване и определено за идеален термодинамичен цикъл на Carnot, както следва:

За mp \u003d T o / (T o - T u), (1)

където T o е температурният потенциал на топлината, отделена към отоплителната или топлинната система, K;

T и - температурният потенциал на източника на топлина, K.

Коефициентът на преобразуване на топлоснабдителната система на термопомпата K tr представлява съотношението на използваната топлина в топлоснабдителната система на потребителя към енергията, изразходвана за работа на газовия термичен блок и е числено равен на количеството топлинна топлина, получена при температури T o и T и на единица енергия, изразходвана за системата на газовата термопомпа , Действителният коефициент на трансформация се различава от идеалния, описан с формула (1), от стойността на коефициента h, която отчита степента на термодинамично съвършенство на HSTC и необратимите загуби на енергия по време на изпълнението на цикъла.

Числени експерименти бяха проведени с помощта на програмата, създадена в INSOLAR-INVEST OJSC, която определя оптималните параметри на системата за събиране на топлина в зависимост от климатичните условия на строителната зона, топлозащитните качества на сградата, експлоатационните характеристики на термопомпеното оборудване, циркулационните помпи, отоплителните устройства на отоплителната система, както и техните режими операция. Програмата се основава на описания по-горе метод за изграждане на математически модели на топлинния режим на системи за събиране на топлинна енергия с нисък потенциал, които заобикалят трудностите, свързани с информационната несигурност на моделите и сближаването на външните влияния, като се използва експериментално получена информация за естествения топлинен режим на почвата, което позволява частично да се вземе предвид целия комплекс от фактори (като наличието на подземни води, тяхната скорост и топлинни режими, структура и местоположение) почвени слоеве, „топлинният“ фон на Земята, атмосферните валежи, фазовите преобразувания на влагата в поровото пространство и много други), които значително влияят върху формирането на топлинния режим на системата за събиране на топлина и съвместното отчитане на които в строго изложение на проблема е практически невъзможно днес. Като решение на „основния“ проблем използвахме данните от Наръчника за климата на СССР (L .: Gidromethioizdat. Issue 1–34).

Програмата всъщност ви позволява да решите проблема с многопараметричната оптимизация на конфигурацията на GTST за конкретна сграда и строителна зона. В същото време обективната функция на задачата за оптимизация е минималните годишни енергийни разходи за експлоатацията на GTS, а критериите за оптимизация са радиусът на тръбите на почвения топлообменник, неговата (топлообменник) дължина и дълбочина.

Резултатите от числените експерименти и регионализацията на територията на Русия за ефективността на използване на ниско-потенциална геотермална топлина за топлоснабдяване на сгради са представени в графична форма на фиг. 2-9.

На фиг. Фигура 2 показва стойностите и изолините на коефициента на преобразуване на топлоснабдителните системи за геотермална термопомпа с хоризонтални системи за събиране на топлина и Фиг. 3 - за GTST с вертикални системи за събиране на топлина. Както се вижда от фигурите, максималните стойности на K r mp 4.24 за хоризонтални системи за събиране на топлина и 4.14 за вертикални могат да се очакват в южната част на Русия, а минималните стойности съответно от 2.87 и 2.73 на север, в Uelen. За централна Русия стойностите на K p tr за хоризонталните системи за събиране на топлина са в диапазона 3,4–3,6, а за вертикалните - в диапазона 3,2–3,4. Привличат се доста високи стойности на K p tr (3,2–3,5) за райони от Далечния Изток и райони с традиционно трудни условия за доставка на гориво. Очевидно Далечният Изток е регион с приоритетно прилагане на GTST.

На фиг. Фигура 4 показва стойностите и изолините на специфичната годишна консумация на енергия за задвижването на „хоризонталния“ GTST + PD (връх по-близо), включително консумацията на енергия за отопление, вентилация и подаване на топла вода, намалена до 1 m 2 от отопляваната площ, и на фиг. 5 - за GTST с вертикални системи за събиране на топлина. Както се вижда от фигурите, годишното специфично потребление на енергия за задвижване на хоризонтална електроцентрала за газови турбини, намалено до 1 m 2 от отопляваната площ на сградата, варира от 28,8 kW h / (година m 2) в южна Русия до 241 kW h / (година m 2) в Якутск и съответно за вертикален GTST от 28,7 kWh / / (година m 2) на юг и до 248 kWh / / (година m 2) в Якутск. Ако умножим стойността на годишното специфично потребление на енергия, показано на фигурите за конкретна местност, като задвижваме GTST по стойността за тази местност K p tr, намалена с 1, тогава получаваме количеството енергия, спестено от GSTST от 1 m 2 от отопляваната площ на година. Например за Москва, за вертикален GTST, тази стойност ще бъде 189,2 кВтч от 1 м 2 годишно. За сравнение можем да посочим стойностите на специфичното потребление на енергия, установени от московските стандарти за енергоспестяване MGSN 2.01–99 за нискоетажни сгради на ниво от 130 и за високи сгради 95 кВтч / (година m 2). В същото време консумираната от MGSN 2.01–99 консумация на енергия включва само енергийните разходи за отопление и вентилация, в нашия случай енергийните разходи включват енергийните разходи за захранване с гореща вода. Факт е, че съществуващият подход за оценка на енергийните разходи за експлоатация на сградата, съществуващ в действащите стандарти, разпределя енергийните разходи за отопление и вентилация на сградата и енергийните разходи за нейното подаване на топла вода в отделни статии. В същото време енергийните разходи за снабдяване с топла вода не са стандартизирани. Този подход изглежда не е правилен, тъй като енергийните разходи за снабдяване с топла вода често са съизмерими с енергийните разходи за отопление и вентилация.

На фиг. Фигура 6 показва стойностите и контурите на рационалното съотношение на топлинната мощност на пиковия по-близо (PD) и инсталираната електрическа мощност на хоризонталния GTC във фракции на единица, и фиг. 7 - за GTST с вертикални системи за събиране на топлина. Критерият за рационално съотношение на топлинната мощност на пиковия по-близък и инсталираната електрическа мощност на GTST (без PD) беше минималният годишен разход за енергия за GTST + PD задвижването. Както се вижда от фигурите, рационалното съотношение на капацитета на термична PD и електрическа газова турбина (без газ) варира от 0 в южната част на Русия до 2,88 за хоризонтална газова турбина и 2,92 за вертикални системи в Якутск. В централната ивица на територията на Руската федерация, рационалното съотношение на топлинната мощност на по-близкото и инсталираната електрическа мощност на GTST + PD е както за хоризонтална, така и за вертикална GTST в диапазона 1,1–1,3. В този момент трябва да се спрете по-подробно. Факт е, че когато заместваме например електрическото отопление в Централната ивица на Русия, всъщност имаме възможност да намалим мощността, инсталирана в отопляема сграда, с 35–40% и съответно да намалим исканата от RAO UES електроенергия, която днес „струва „Около 50 хиляди рубли. на 1 kW електрическа мощност, инсталирана в къщата. Така например, за вила с прогнозни загуби на топлина в най-студения петдневен период, равна на 15 кВт, ще спестим 6 кВт инсталирана електрическа енергия и съответно около 300 хиляди рубли. или ≈ 11,5 хиляди щатски долара. Тази цифра е почти равна на цената на GTST на такава топлинна мощност.

По този начин, ако всички разходи, свързани с свързването на сградата към централизирано електрозахранване, са правилно взети под внимание, се оказва, че дори при сегашните тарифи за електроенергия и свързване към централизирани електроснабдителни мрежи в централната зона на Руската федерация, GTTS е по-изгодно от електрическото отопление, да не говорим за 60 % икономия на енергия.

На фиг. Фигура 8 показва стойностите и контурите на специфичната гравитация на топлинната енергия, генерирана през годината от пиковия по-близък (PD) в общото годишно потребление на енергия в хоризонталната система GTST + PD в проценти, и фиг. 9 - за GTST с вертикални системи за събиране на топлина. Както се вижда от фигурите, делът на топлинната енергия, генерирана през годината от пиковия по-близък (PD), в общото годишно потребление на енергия в системата, хоризонталният GTST + PD варира от 0% в южната част на Русия до 38-40% в градовете Якутск и град Тър и за вертикален GTST + PD, съответно, от 0% на юг и до 48,5% в град Якутск. В централната зона на Русия тези стойности както за вертикалните, така и за хоризонталните GTST са около 5–7%. Това са малки разходи за енергия и във връзка с това трябва да внимавате при избора на връх по-близо. Най-рационалните както по отношение на специфичните капиталови инвестиции с мощност 1 кВт, така и в автоматизацията са върховите електрически проводници. Използването на пелетни котли е забележително.

В заключение бих искал да се спра на един много важен въпрос: проблемът с избора на рационално ниво на топлозащита на сградите. Този проблем днес представлява много сериозна задача, чието решение изисква сериозен числен анализ, като се вземат предвид спецификите на нашия климат и особеностите на приложеното инженерно оборудване, инфраструктурата на централизираните мрежи, както и екологичната ситуация в градовете, която се влошава буквално пред очите ни и много други. Очевидно е, че днес вече е неправилно да се формулират каквито и да било изисквания за обвивката на сградата, без да се вземат предвид нейните (строителни) взаимовръзки със системата за климат и енергоснабдяване, комунални услуги и др. В резултат на това в много близко бъдеще ще бъде възможно самото решение на проблема с избора на рационално ниво на термична защита Въз основа на разглеждането на строителния комплекс + система за енергоснабдяване + климат + околна среда като единна еко-енергийна система и при този подход конкурентните предимства на GTST на вътрешния пазар е трудно да се надценят МБ.

литература

1. Sanner B. Основни източници на топлина за термопомпи (класификация, характеристики, предимства). Курс по геотермални термопомпи, 2002 г.

2. Василиев Г. П. Икономически осъществимото ниво на топлозащита на сградите // Енергоспестяване. - 2002. - № 5.

3. Василиев Г. П. Топлоснабдяване на сгради и конструкции, използващи ниско потенциална топлинна енергия на повърхностните слоеве на Земята: Монография. Издателство „Граница“. - М.: Червена звезда, 2006.

Представете си къща, в която винаги се поддържа комфортна температура, но системите за отопление и охлаждане не се виждат. Тази система работи ефективно, но не изисква сложна поддръжка или специални познания от собствениците.

Свеж въздух, можете да чуете птиците да цвърчат и вятърът мързеливо да играе с листа по дърветата. Една къща получава енергия от земята, като листа, които получават енергия от корените. Страхотна картина, нали?

Геотермалните системи за отопление и охлаждане превръщат тази картина в реалност. Геотермалната NEC система (отопление, вентилация и климатизация) използва температурата на земята, за да осигури отопление през зимата и охлаждане през лятото.

Как работи геотермалното отопление и охлаждане

Температурата на околната среда се променя с променящите се сезони, но подземната температура не се променя толкова значително поради изолационните свойства на земята. На дълбочина 1,5-2 метра температурата остава относително постоянна през цялата година. Геотермалната система обикновено се състои от вътрешно оборудване за обработка, подземна тръбна система, наречена подземен контур, и / или помпа за циркулираща вода. Системата използва постоянна земна температура, за да осигури „чиста и безплатна“ енергия.

(Не бъркайте концепцията за геотермална NEC система с „геотермална енергия“ - процес, при който електроенергията се генерира директно от висока температура в земята. В последния случай се използват други видове оборудване и други процеси, чиято цел обикновено е загряване на вода до точка на кипене.)

Тръбите, които изграждат подземния контур, обикновено са изработени от полиетилен и могат да бъдат разположени под земята хоризонтално или вертикално, в зависимост от терена. Ако има водоносен хоризонт, тогава инженерите могат да проектират система „отворен контур“, за това е необходимо да се пробие кладенец до подземните води. Водата се изпомпва, преминава през топлообменник и след това се изпомпва в същия водоносен хоризонт чрез „повторно изпомпване“.

През зимата водата, преминаваща през подземен контур, абсорбира топлината на земята. Вътрешното оборудване допълнително повишава температурата и я разпределя в цялата сграда. Това е като климатик, който работи обратното. През лятото геотермалната NEC система изтегля вода с висока температура от сградата и я пренася през подземен контур / помпа до кладенеца за повторно инжектиране, откъдето водата навлиза в по-хладната земя / водоносен хоризонт.

За разлика от конвенционалните системи за отопление и охлаждане, геотермалните NEC системи не използват изкопаеми горива за генериране на топлина. Те просто вземат топлина от земята. По правило електричеството се използва само за работата на вентилатора, компресора и помпата.

Геотермалната система за охлаждане и отопление има три основни компонента: термопомпа, течна среда за обмен на течност (отворена или затворена система) и система за подаване на въздух (тръбна система).

За геотермалните термопомпи, както и за всички други видове термопомпи, беше измерено съотношението на тяхното полезно действие към изразходваната енергия за това действие (Ефективност). Повечето геотермални термопомпени системи имат ефективност от 3.0 до 5.0. Това означава, че системата преобразува една единица енергия в 3-5 единици топлина.

Геотермалните системи не изискват сложна поддръжка. Правилно инсталиран, което е много важно, подземният контур може да функционира правилно за няколко поколения. Вентилаторът, компресорът и помпата са разположени на закрито и са защитени от променящи се метеорологични условия, поради което техният експлоатационен живот може да продължи много години, често десетилетия. Рутинните периодични проверки, навременните промени на филтъра и ежегодното почистване на бобините са единствените необходими услуги.

Опит от използването на геотермални NEC системи

Геотермалните NEC системи се използват повече от 60 години по целия свят. Те работят с природата, а не срещу нея и не отделят парникови газове (както бе отбелязано по-рано, те използват по-малко електричество, защото използват постоянна температура на земята).

Геотермалните NEC системи все повече се превръщат в атрибути на зелените къщи като част от движението за зелена сграда, което набира популярност. Зелените проекти представляват 20 процента от всички жилища в САЩ, построени миналата година. Една статия в Wall Street Journal гласи, че до 2016 г. бюджетът за зелена сграда ще нарасне от 36 милиарда долара годишно на 114 милиарда. Това ще представлява 30-40 процента от целия пазар на недвижими имоти.

Но по-голямата част от информацията за геотермалното отопление и охлаждане се основава на остарели данни или неоснователни митове.

Разрушаването на митовете за геотермалните NEC системи

1. Геотермалните NEC системи не са възобновяема технология, защото използват електричество.

Факт: Геотермалните NEC системи използват само една единица електроенергия, за да произвеждат до пет единици охлаждане или отопление.

2. Слънчевата и вятърната енергия са по-благоприятни възобновяеми технологии в сравнение с геотермалните NEC системи.

Факт: Геотермалните NEC системи за един долар обработват четири пъти повече киловат / час, отколкото енергията на слънцето или вятъра произвежда за същия долар. Тези технологии могат, разбира се, да играят важна роля за околната среда, но геотермалната NEC система често е най-ефективният и икономичен начин за намаляване на въздействието върху околната среда.

3. За геотермалната система NEC е необходимо много място за настаняване на полиетиленовите тръби на подземния контур.

Факт: В зависимост от терена, подземният контур може да бъде разположен вертикално, което означава нужда от малка земна повърхност. Ако има достъпен водоносен хоризонт, тогава ви трябват само няколко квадратни метра на повърхността. Обърнете внимание, че водата се връща в същия водоносен хоризонт, от който е взета след преминаване през топлообменника. По този начин водата не е дренажна и не замърсява водоносния хоризонт.

4. Геотермалните термопомпи на NVC са шумни.

Факт: Системите работят много тихо и няма оборудване отвън, което да не смущава съседите.

5. Геотермалните системи в крайна сметка се „заличават“.

Факт: Подземните контури могат да служат за поколения. Оборудването за пренос на топлина обикновено продължава десетилетия, тъй като е защитено на закрито. Когато дойде моментът за необходимата подмяна на оборудването, цената на такава подмяна е много по-малка от новата геотермална система, тъй като подземният контур и кладенецът са най-скъпите му части. Новите технически решения премахват проблема със задържането на топлина в земята, така че системата може да обменя температури в неограничени количества. В миналото имаше случаи на неправилно проектирани системи, които прегряваха или преохлаждаха земята до такава степен, че вече нямаше температурната разлика, необходима за работа на системата.

6. Геотермалните NEC системи работят само за отопление.

Факт: Те работят също толкова ефективно за охлаждане и могат да бъдат проектирани така, че да няма нужда от допълнителен резервен източник на топлина. Въпреки че някои клиенти решават, че е икономически по-изгодно да има малка резервна система за най-студените времена. Това означава, че подземният им цикъл ще бъде по-малък и съответно по-евтин.

7. Геотермалните NEC системи не могат едновременно да затоплят вода за битови нужди, да затоплят вода в басейн и да отопляват къща.

Факт: Системите могат да бъдат проектирани да изпълняват много функции едновременно.

8. Геотермалните NEC системи замърсяват земята с хладилни агенти.

Факт: Повечето системи използват само вода в пантите.

9. Геотермалните NEC системи използват много вода.

Факт: Геотермалните системи всъщност не консумират вода. Ако подземните води се използват за обмен на температура, тогава цялата вода се връща в същия водоносен хоризонт. В миналото в действителност се използваха някои системи, които губеха вода, след като тя премина през топлообменник, но такива системи почти не се използват днес. Ако погледнете въпроса от търговска гледна точка, геотермалните NEC системи всъщност спестяват милиони литри вода, които биха се изпарили в традиционните системи.

10. Геотермалната NEC технология не е финансово осъществима без държавни и регионални данъчни облекчения.

Факт: Държавните и регионални стимули, като правило, съставляват от 30 до 60 процента от общите разходи на геотермалната система, което често може да намали първоначалната си цена до почти нивото на цените за конвенционалното оборудване. Стандартните въздушни системи за NEC струват около 3000 долара за тон топлина или студ (обикновено в домашни условия се използват един до пет тона). Цената на геотермалните NEC системи е от около 5000 долара на тон до 8 000-9 000. Новите методи за монтаж обаче намаляват значително разходите, до цените на конвенционалните системи.

Можете също така да намалите разходите, като намалите оборудването за обществена или търговска употреба или дори с големи поръчки от битов характер (особено от големи марки като Bosch, Carrier и Trane). Отворените контури при използване на помпа и повторно инжектиране на кладенеца са по-евтини за инсталиране от затворените системи.

Въз основа на: energyblog.nationalgeographic.com

За моделиране на температурни полета и за други изчисления е необходимо да се установи температурата на почвата на дадена дълбочина.

Температурата на почвата на дълбочина се измерва с помощта на термометри за дълбочина на отработените почви. Това са планирани проучвания, които редовно се провеждат от метеорологичните станции. Данните от изследванията служат като основа за климатичните атласи и регулаторната документация.

За да получите температурата на почвата на дадена дълбочина, можете да опитате например два прости метода. И двата метода включват използването на справочници:

1. За приблизително определяне на температурата можете да използвате документа ЦПИ-22. "Пресичане на железници по тръбопроводи." Тук, в рамките на методологията на термотехническото изчисляване на тръбопроводите, е дадена таблица 1, където за определени климатични райони са дадени стойностите на температурите на почвата в зависимост от дълбочината на измерване. Представям тази таблица по-долу.

Таблица 1

1. Таблица на температурите на почвата на различни дълбочини от източника "в помощ на работника на газовата промишленост" от времето на СССР

Стандартни дълбочини на замръзване за някои градове:

Дълбочината на замръзване на почвата зависи от вида на почвата:

Мисля, че най-лесният вариант е да използвате горните референтни данни и след това да интерполирате.

Най-надеждният вариант за точни изчисления с използване на температурите на почвата е използването на данните на метеорологичните служби. Въз основа на метеорологичните услуги работят някои онлайн директории. Например http://www.atlas-yakutia.ru/.

Тук е достатъчно да изберете населено място, тип почва и можете да получите температурна карта на почвата или нейните данни в табличен вид. По принцип е удобно, но изглежда този ресурс е платен.

Ако все още знаете как да определите температурата на почвата на дадена дълбочина, моля пишете коментари.

Може да се интересувате от следния материал:

Температурата вътре в земята най-често е доста субективен индикатор, тъй като точната температура може да се нарече само на достъпни места, например в кладенеца Кола (дълбочина 12 км). Но това място принадлежи към външната част на земната кора.

Температури на различни дълбочини на Земята

Както учените разбраха, температурата се повишава с 3 градуса на всеки 100 метра във вътрешността. Тази цифра е постоянна за всички континенти и части от земното кълбо. Такова повишаване на температурата се случва в горната част на земната кора, около първите 20 километра, след това увеличението на температурата се забавя.

Най-голямо увеличение е регистрирано в Съединените щати, където температурата се повиши 150 градуса на 1000 метра във вътрешността. Най-бавният растеж, регистриран в Южна Африка, термометърът се покачи само на 6 градуса по Целзий.

На дълбочина около 35-40 километра температурата се колебае около 1400 градуса. Границата на мантията и външното ядро \u200b\u200bна дълбочина от 25 до 3000 км се нагрява от 2000 до 3000 градуса. Вътрешното ядро \u200b\u200bсе нагрява до 4000 градуса. Температурата в самия център на Земята, според последната информация, получена в резултат на сложни експерименти, е около 6000 градуса. Слънцето може да се похвали със същата температура на повърхността си.

Минимални и максимални температури на дълбочините на Земята

При изчисляване на минималните и максималните температури вътре в Земята не се вземат предвид данните за поясите с постоянна температура. В тази зона температурата е постоянна през цялата година. Коланът е разположен на дълбочина от 5 метра (тропици) и до 30 метра (високи ширини).

Максималната температура беше измерена и записана на дълбочина около 6000 метра и възлизаше на 274 градуса по Целзий. Минималната температура вътре в земята се регистрира главно в северните райони на нашата планета, където дори на дълбочина над 100 метра термометърът показва минус температура.

Откъде идва топлината и как се разпределя в недрата на планетата?

Топлината вътре в земята идва от няколко източника:

1) Гниене на радиоактивни елементи;

2) Гравитационната диференциация на материята, загрята в земното ядро;

3) Приливно триене (ефектът на Луната върху Земята, придружен от забавяне на последната).

Това са някои варианти за появата на топлина в недрата на земята, но въпросът за пълния списък и правилността на съществуващия все още е отворен.

Топлинният поток, излъчван от недрата на нашата планета, варира в зависимост от структурните зони. Следователно разпределението на топлината на мястото, където се намира океанът, планините или равнините, има напълно различни показатели.