„Използването на ниско потенциална топлинна енергия на земята в системите за термопомпи“

Г. Василиев, научен директор на INSOLAR-INVEST OJSC, доктор на техническите науки, председател на Съвета на директорите на INSOLAR-INVEST OJSC
  Н. В. Шилкин, инженер, НИИСФ (Москва)

Рационално използване на горивни и енергийни ресурси   днес е един от глобалните глобални проблеми, успешното решение на които очевидно ще има решаващо значение не само за по-нататъшното развитие на световната общност, но и за опазването на нейната среда. Един от обещаващите начини за решаване на този проблем е прилагане на нови енергоспестяващи технологииизползване на нетрадиционни възобновяеми енергийни източници (NEE)   Изчерпването на традиционните изкопаеми горива и екологичните последици от изгарянето им през последните десетилетия доведоха до значително увеличаване на интереса към тези технологии в почти всички развити страни на света.

Предимствата на технологиите за топлоснабдяване, които се използват в сравнение с традиционните им колеги, се свързват не само със значително намаляване на енергийните разходи в системите за поддържане на живота на сгради и конструкции, но и с тяхната екологична чистота, както и с нови възможности в областта на повишаване степента на автономност на системите за поддържане на живота, Очевидно в близко бъдеще именно тези качества ще бъдат решаващи при формирането на конкурентната ситуация на пазара на оборудване за производство на топлина.

Анализ на възможните области на приложение в руската икономика на използване на енергоспестяващи технологии нетрадиционни източници на енергия, показва, че в Русия най-обещаващата област на тяхното изпълнение са системите за поддържане на живота на сградите. В същото време широко приложение системи за подаване на топлинна помпа (TST)използвайки като универсално достъпен източник на топлина с нисък потенциал почвата на повърхностните слоеве на Земята.

При използване земна топлина могат да се разграничат два вида топлинна енергия - висок потенциал и нисък потенциал. Източникът на високо-потенциална топлинна енергия са хидротермални ресурси - термални води, загряти в резултат на геоложки процеси до висока температура, което им позволява да се използват за подаване на топлина в сградите. Използването на високо потенциална топлина на Земята обаче е ограничено до области с определени геоложки параметри. В Русия това е например Камчатка, регион на кавказки минерални води; в Европа има източници на висока потенциална топлина в Унгария, Исландия и Франция.

За разлика от „директното“ използване на високо потенциална топлина (хидротермални ресурси), използване на ниско потенциална топлина на Земята   с помощта на термопомпи е възможно почти навсякъде. В момента тя е една от най-динамично развиващите се области на употреба. нетрадиционни възобновяеми енергийни източници.

Земната нискокачествена топлина   може да се използва в различни видове сгради и конструкции по много начини: за отопление, захранване с топла вода, климатизация (охлаждане), отоплителни коловози през зимата, за предотвратяване на обледеняване, отопление на открити стадиони и др. В англоезичната техническа литература такива системи са обозначени като „GHP“ - „геотермални термопомпи“, геотермални термопомпи.

Климатичните характеристики на страните от Централна и Северна Европа, които заедно със САЩ и Канада са основните зони за използване на ниско-потенциална топлина на Земята, определят главно необходимостта от отопление; въздушното охлаждане дори през лятото е сравнително рядко. Следователно, за разлика от САЩ, термопомпи   в европейските страни работят главно в режим на отопление. В САЩ термопомпи   по-често се използва в системите за въздушно отопление, комбинирани с вентилация, което позволява едновременно загряване и охлаждане на външния въздух. В европейските страни термопомпи   обикновено се използва в отоплителни системи за вода. като ефективност на термопомпата   нараства, когато температурната разлика между изпарителя и кондензатора намалява; често за отопление на сгради се използват системи за подово отопление, в които охлаждащата течност циркулира при сравнително ниска температура (35–40 ° C).

най-много термопомпи   в Европа, проектиран да използва нискокачествената топлина на Земята, оборудван с електрически компресори.

През последните десет години, броят на системите, които използват ниско потенциалната топлина на Земята за подаване на топлина и студ през сградите термопомписе увеличи значително. Най-голям брой такива системи се използват в САЩ. Голям брой такива системи функционират в Канада и страните от Централна и Северна Европа: Австрия, Германия, Швеция и Швейцария. Швейцария води в използването на ниско-потенциална топлинна енергия на Земята на глава от населението. В Русия през последните десет години само няколко обекта са построени по технология и с участието на INSOLAR-INVEST OJSC, специализирана в тази област, най-интересните от които са представени в.

В Москва, в микрорайона Никулино-2, всъщност е построен първоначално система за гореща вода с термопомпа   многоетажна жилищна сграда. Този проект е реализиран през 1998-2002 г. от Министерството на отбраната на Руската федерация заедно с правителството на Москва, Министерството на промишлеността и науката на Русия, Асоциацията на НП ABOK и в рамките на „Дългосрочната програма за пестене на енергия в Москва“.

Като ниско потенциален източник на топлинна енергия за изпарители на термопомпи се използват почвената топлина на повърхностните слоеве на Земята, както и топлината на отстранения вентилационен въздух. Инсталацията за приготвяне на топла вода е разположена в сутерена на сградата. Тя включва следните основни елементи:

• парни термопомпени агрегати (HPU);
• резервоари за съхранение на гореща вода;
• системи за събиране на ниско потенциална топлинна енергия на почвата и ниско потенциална топлина на отстранен вентилационен въздух;
• циркулационни помпи, инструменти

Основният елемент на топлообмен в ниско-потенциалната почвена система за събиране на топлина са вертикални коаксиални почвени топлообменници, разположени извън периметъра на сградата. Тези топлообменници са по 8 кладенци с дълбочина от 32 до 35 м, разположени в близост до къщата. Тъй като режимът на работа на термопомпите се използват топлина на земята   и топлината на отстранения въздух е постоянна, а консумацията на топла вода е променлива, системата за топла вода е оборудвана с резервоари за съхранение.

Данните за оценка на световното ниво на използване на ниско-потенциална топлинна енергия на Земята чрез термопомпи са дадени в таблицата.

Таблица 1. Световното ниво на използване на ниско-потенциална топлинна енергия на Земята чрез термопомпи

Почвата като източник на ниско потенциална топлинна енергия

Подземните води със сравнително ниска температура или почвата на повърхностните (до 400 м дълбочина) слоеве на Земята могат да се използват като източник на ниско потенциална топлинна енергия, Топлинното съдържание на почвената маса като цяло е по-високо. Топлинният режим на почвата на повърхностните слоеве на Земята се формира под въздействието на два основни фактора - слънчевата радиация, падаща върху повърхността и потока 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 интензитетът 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.

Температурният 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).

Фиг. 1. Графика на промените в температурата на почвата в зависимост от дълбочината

С увеличаване на дълбочината температурата на почвата се повишава в съответствие с геотермалния градиент (приблизително 3 градуса С на всеки 100 м). Големината на потока радиогенна топлина, идваща от недрата на земята, варира за различните места. За Централна Европа тази стойност е 0,05-0,12 W / m2.

По време на експлоатационния период 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 на външния климат, 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. С други думи, почвената маса на системата за събиране на топлина, независимо от състоянието, в което се намира (замръзнала или размразена), е сложна трифазна полидисперсна хетерогенна система, скелетът на която се образува от огромно количество твърди частици с различни форми и размери и може да бъде твърд или и подвижни, в зависимост от това дали частиците са здраво свързани помежду си или дали са разделени една от друга чрез вещество в подвижната фаза. Пропуските между твърдите частици могат да бъдат запълнени с минерализирана влага, газ, пара и лед, или и двете едновременно. Моделирането на процесите на пренос на топлина и маса, които формират топлинния режим на такава многокомпонентна система, е изключително трудна задача, тъй като изисква отчитане и математическо описание на различни механизми на тяхното изпълнение: топлопроводимост в една частица, пренос на топлина от една частица в друга при техния контакт, молекулярно топлопроводимост в средна пропаст на запълване между частиците, конвекция на пара и влага, съдържащи се в порно пространството, и много други.

Особено внимание трябва да се обърне на влиянието на влагата и миграцията на влагата в нейното порно пространство върху топлинните процеси, които определят характеристиките на почвата като източник на ниско потенциална топлинна енергия.

В капилярно-порестите системи, представляваща 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 са свързани преди всичко с липсата на ясни идеи за характера на разпределението на твърди, течни и газообразни фази на влага в една или друга структура на системата. Характерът на силите за свързване на влагата с частиците на скелета, зависимостта на формите за свързване на влагата с материала на различни етапи на овлажняване и механизмът на движение на влагата в пространството на порите все още не са изяснени.

Ако в по-голямата част от почвената маса има температурен градиент, молекулите на парата се придвижват до 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 валежи, както и от подземните води.

Основните фактори, под въздействието на които се формира температурният режим на почвената маса в системите за събиране на ниско-потенциална почвена топлина, са показани на фиг. 2.

Фиг. 2. Фактори, под въздействието на които се формира температурният режим на почвата

Видове системи за използване на ниско-потенциална топлинна енергия на Земята

Заземените топлообменници се свързват оборудване за термопомпа   с почвена маса. В допълнение към „извличането“ на земната топлина, почвените топлообменници могат да се използват и за акумулиране на топлина (или студ) в почвената маса.

В общия случай могат да се разграничат два типа системи за използване на ниско-потенциална топлинна енергия на Земята:

• отворени системи:   като източник на ниско потенциална топлинна енергия се използват подземните води, доставяни директно към термопомпите;
• затворени системи:   топлообменниците са разположени в почвената маса; когато охлаждащата течност циркулира през тях с температура, по-ниска от тази на почвата, топлината се „отвежда“ от почвата и се прехвърля в изпарителя термопомпа   (или при използване на топлоносител с повишена температура спрямо почвата, охлаждането му).

Основната част на отворените системи са кладенци, които позволяват извличане на подземни води от водоносни хоризонти и връщане на вода обратно към същите водоносни хоризонти. Обикновено за това се подреждат сдвоени кладенци. Диаграма на такава система е показана на фиг. 3.

Фиг. 3. Схема на отворена система за използване на нискокачествена топлинна енергия на подземните води

Предимството на отворените системи е възможността да произвеждат големи количества топлинна енергия при сравнително ниска цена. Кладенците обаче изискват поддръжка. Освен това използването на такива системи не е възможно във всички области. Основните изисквания към почвата и подземните води са следните:

• достатъчна водопропускливост на почвата, позволяваща попълване на запасите от вода;
• добър химичен състав на подземни води (например ниско съдържание на желязо), като се избягват проблемите, свързани с образуването на отлагания по стените на тръбите и корозия.

Отворените системи се използват по-често за отопление или охлаждане на големи сгради. Най-голямата в света геотермална система за термопомпи   използва подземните води като източник на ниско потенциална топлинна енергия. Тази система се намира в Съединените щати, Луисвил, Кентъки. Системата се използва за подаване на топлина и студ на хотелско-офис комплекс; Капацитетът му е приблизително 10 MW.

Понякога системите, използващи топлината на Земята, включват системите за използване на ниско-потенциална топлина на открити водни тела, естествени и изкуствени. Този подход е възприет, по-специално, в САЩ. Системите, използващи ниско потенциална топлина на водните тела, са отворени, както и системите, използващи ниско потенциална топлина на подземните води.

Затворените системи от своя страна са разделени на хоризонтални и вертикални.

Хоризонтален почвен топлообменник(в английската литература се използват и термините „колектор за земна топлина“ и „хоризонтален контур“), обикновено се намира в близост до къщата на малка дълбочина (но под нивото на замръзване на почвата през зимата). Използването на хоризонтални наземни топлообменници е ограничено от размера на съществуващата площадка.

В страните от Западна и Централна Европа хоризонталните наземни топлообменници обикновено са отделни тръби, положени сравнително плътно и свързани помежду си последователно или паралелно (фиг. 4а, 4б). За да се спести площта, са разработени подобрени видове топлообменници, например спираловидни топлообменници, разположени хоризонтално или вертикално (фиг. 4е, 4е). Тази форма на топлообменници е често срещана в САЩ.

Фиг. 4. Видове хоризонтални почвени топлообменници
  а - топлообменник от последователно свързани тръби;
  б - топлообменник от паралелно свързани тръби;
  в - хоризонтален колектор, положен в окоп;
  g - контур топлообменник;
d - топлообменник под формата на спирала, разположена хоризонтално (така нареченият "слуз" колектор;
  д - топлообменник със спираловидна форма

Ако система с хоризонтални топлообменници се използва само за генериране на топлина, нормалното й функциониране е възможно само ако се получава достатъчно топлина от земната повърхност поради слънчевата радиация. Поради тази причина повърхността над топлообменниците трябва да бъде изложена на слънчева светлина.

Вертикални наземни топлообменници   (обозначението „BHE“ е прието в английската литература като „сондажен топлообменник“) позволяват използването на нискокачествена топлинна енергия на почвената маса, разположена под „неутралната зона“ (10–20 m от нивото на земята). Системите с вертикални наземни топлообменници не изискват области с голяма площ и не зависят от интензивността на слънчевата радиация, падаща върху повърхността. Вертикалните наземни топлообменници работят ефективно в почти всички видове геоложки среди, с изключение на почви с ниска топлопроводимост, например сух пясък или сух чакъл. Вертикалните почвени топлообменни системи са много разпространени.

Отоплението и топлата вода на еднофамилна жилищна сграда с помощта на термопомпена инсталация с вертикален почвен топлообменник са показани на фиг. 5.

Фиг. 5. Схема на отопление и водоснабдяване на еднофамилна жилищна сграда с помощта на термопомпена инсталация с вертикален почвен топлообменник

Топлоносителят циркулира през тръби (най-често полиетилен или полипропилен), положени във вертикални кладенци с дълбочина от 50 до 200 м. Обикновено се използват два вида вертикални наземни топлообменници (фиг. 6):

• U-образен топлообменник, които са две успоредни тръби, свързани в долната част. Една или две (рядко три) двойки такива тръби са разположени в един кладенец. Предимството на такава схема е сравнително ниската производствена цена. Двойните U-образни топлообменници са най-широко използваният тип вертикални наземни топлообменници в Европа.
• Коаксиален (концентричен) топлообменник. Най-простият коаксиален топлообменник се състои от две тръби с различен диаметър. По-малка тръба е разположена вътре в друга тръба. Коаксиалните топлообменници могат да бъдат по-сложни конфигурации.

Фиг. 6. Напречно сечение на различни видове вертикални почвени топлообменници

За да се увеличи ефективността на топлообменниците, пространството между стените на кладенеца и тръбите се запълва със специални топлопроводими материали.

Системите с вертикални наземни топлообменници могат да се използват за подаване на топлина и студ на сгради с различни размери. За малка сграда е достатъчен един топлообменник; големи сгради може да изискват изграждането на цяла група кладенци с вертикални топлообменници. Най-големият брой кладенци в света се използва в системата за отопление и охлаждане на колежа Richard Stockton College в САЩ в Ню Джърси. Вертикалните наземни топлообменници на този колеж са разположени в 400 кладенци с дълбочина 130 м. В Европа най-голям брой кладенци (154 кладенци с дълбочина 70 м) се използват в системата за подаване на топлина и студ в централния офис на Германската служба за контрол на въздушното движение (Deutsche Flug-sicherung).

Специален случай на вертикални затворени системи е използването на строителни конструкции като почвени топлообменници, например фундаментни купчини с монолитни тръбопроводи. Напречното сечение на такава купчина с три контура на почвения топлообменник е показано на фиг. 7.

Фиг. 7. Диаграма на почвените топлообменници монолитни в фундаментните купчини на сградата и напречното сечение на такива купчини

Земната маса (в случай на вертикални наземни топлообменници) и строителни конструкции с наземни топлообменници могат да се използват не само като източник, но и като естествен акумулатор на топлинна енергия или „студ“, например топлина от слънчева радиация.

Има системи, които не могат да бъдат еднозначно приписвани на отворени или затворени. Например, същата дълбока (от 100 до 450 м дълбочина), добре напълнена с вода, може да бъде или производство, или инжектиране. Диаметърът на кладенеца обикновено е 15 см. На дъното на кладенеца се поставя помпа, през която вода от кладенеца се подава към изпарителите на термопомпата. Вода за връщане се връща към върха на водния стълб към същия кладенец. Кладенецът постоянно се попълва с подземни води, а отворената система работи като затворена. Системите от този тип в английската литература се наричат \u200b\u200b„стояща колонна кладенеца система“ (Фиг. 8).

Фиг. 8. Схема на кладенеца тип „кладенец колона“

Обикновено кладенци от този тип се използват и за снабдяване на сградата с питейна вода., Такава система обаче може да работи ефективно само в почви, които осигуряват постоянно презареждане на кладенеца с вода, което предотвратява замръзването му. Ако водоносният хоризонт е твърде дълбок, за нормалното функциониране на системата ще е необходима мощна помпа, изискваща повишена консумация на енергия. Голямата дълбочина на кладенеца причинява доста висока цена на такива системи, така че те не се използват за подаване на топлина и студ на малки сгради. Сега в света има няколко такива системи в САЩ, Германия и Европа.

Една от перспективните области е използването на вода от мини и тунели като източник на нискокачествена топлинна енергия. Температурата на тази вода е постоянна през цялата година. Водата от мини и тунели е лесно достъпна.

„Устойчивост“ на ниско-потенциална топлина на земните системи

По време на работа на почвения топлообменник може да възникне ситуация, когато през отоплителния сезон температурата на почвата в близост до почвения топлообменник намалява, а през лятото почвата няма време да се затопли до първоначалната температура - нейният температурен потенциал намалява. Консумацията на енергия през следващия отоплителен сезон причинява още по-голямо понижение на температурата на почвата, а нейният температурен потенциал допълнително се намалява. Принуждава се при проектирането на системи използване на ниско потенциална топлина на Земята   помислете за устойчивостта на такива системи. Често енергийните ресурси се използват много интензивно, за да се намали срокът на изплащане на оборудването, което може да доведе до бързото им изчерпване. Следователно е необходимо да се поддържа такова ниво на производство на енергия, което би позволило да се използва източник на енергийни ресурси за дълго време. Тази способност на системите да поддържат необходимото ниво на производство на топлинна енергия за дълго време се нарича „устойчивост“. За системи с нисък потенциал за използване земна топлина   даде се следното определение за устойчивост: „За всяка система, използваща ниско-потенциална топлина на Земята и за всеки режим на работа на тази система, има определено максимално ниво на производство на енергия; производството на енергия под това ниво може да се поддържа дълго време (100–300 години). “

Задържан OJSC "INSOLAR-INVEST" Проучванията показват, че консумацията на топлинна енергия от почвената маса в края на отоплителния сезон предизвиква понижение 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 Русия няма време да компенсира през летния сезон, а до началото на следващия отоплителен сезон почвата напуска с намален температурен потенциал. Консумацията на топлинна енергия през следващия отоплителен сезон води до по-нататъшно понижение на температурата на почвата, като до началото на третия отоплителен сезон температурният й потенциал е още по-различен от естествения. И така нататък. Обвивките на топлинния ефект от дългосрочната експлоатация на системата за събиране на топлина върху естествената температура на почвата са очевидно експоненциални и до петата година на работа почвата навлиза в нов режим, близък до периодичен, тоест, започващ от петата година на експлоатация, дългосрочното потребление на топлинна енергия от почвената маса системата за събиране на топлина се придружава от периодични промени в нейната температура. Така при проектиране отоплителни системи с термопомпа   изглежда необходимо да се вземе предвид спада на температурата на почвената маса, причинен от дългосрочната експлоатация на системата за събиране на топлина, и да се използва температурата на почвената маса, очаквана за 5-та година от експлоатацията на TST, като изчислени параметри.

В комбинирани системиизползва се както за подаване на топлина, така и за студ, топлинният баланс се задава "автоматично": през зимата (необходимо е подаване на топлина) почвената маса се охлажда, през лятото (необходимо е подаване на студ) - загряване на почвената маса. В системи, използващи нискокачествена топлина на подземните води, се наблюдава постоянно попълване на водните резерви поради проникване на вода от повърхността и вода, идваща от по-дълбоки слоеве на почвата. Така топлинното съдържание на подземните води се увеличава както „отгоре“ (поради топлината на атмосферния въздух), така и „отдолу“ (поради топлината на Земята); количеството на вложената топлина "отгоре" и "отдолу" зависи от дебелината и дълбочината на водоносния хоризонт. Поради тези входящи топлини температурата на подземните води остава постоянна през целия сезон и се променя малко по време на работа.

В системи с вертикални наземни топлообменници ситуацията е различна. Когато топлината се отстранява, температурата на почвата около почвения топлообменник намалява. Намалението на температурата се влияе както от конструктивните характеристики на топлообменника, така и от режима на работа. Например в системи с високи стойности на топлинна енергия (няколко десетки вата на метър дължина на топлообменника) или в системи с подземен топлообменник, разположени в почва с ниска топлопроводимост (например в сух пясък или сух чакъл), понижението на температурата ще бъде особено забележимо и може да доведе до замръзване на почвата около почвения топлообменник.

Германски експерти измериха температурата на почвената маса, в която е разположен вертикален почвен топлообменник с дълбочина 50 м, разположен близо до Франкфурт на Майн. За целта бяха пробити 9 кладенци на една и съща дълбочина около основния кладенец на разстояние 2,5, 5 и 10 м от кладенеца. Във всичките десет кладенци бяха инсталирани сензори на всеки 2 м за измерване на температура - общо 240 сензора. На фиг. Фигура 9 показва диаграми, показващи разпределението на температурата в почвената маса около вертикален почвен топлообменник в началото и в края на първия отоплителен сезон. В края на отоплителния сезон се наблюдава значително намаляване на температурата на почвената маса около топлообменника. Има топлинен поток, насочен към топлообменника от околния почвен масив, който частично компенсира понижението на температурата на почвата, причинено от "топлината". Величината на този поток в сравнение с величината на топлинния поток от земните недра в тази зона (80-100 mW / кв.м) се оценява доста високо (няколко вата на квадратен метър).

Фиг. 9. Диаграми за разпределение на температурата в почвената маса около вертикален почвен топлообменник в началото и в края на първия отоплителен сезон

Тъй като вертикалните топлообменници започнаха да получават сравнително широко разпространение преди около 15-20 години, в целия свят липсват експериментални данни, получени през дългия (няколко десетки години) живот на системи с топлообменници от този тип. Възниква въпросът за стабилността на тези системи, за тяхната надеждност при дълги периоди на работа. Нискокачествената топлина на Земята е възобновяем източник на енергия? Какъв е периодът на "обновяване" на този източник?

При експлоатация на селско училище в района на Ярославъл, оборудвано с система за термопомпаС помощта на вертикален почвен топлообменник средните стойности на отделянето на специфична топлина бяха на ниво 120–190 W / pog. m дължина на топлообменника.

От 1986 г. в Швейцария близо до Цюрих се правят изследвания на система с вертикални наземни топлообменници. В почвения масив е монтиран коаксиален вертикален почвен топлообменник с дълбочина 105 м. Този топлообменник е използван като източник на ниско потенциална топлинна енергия за системата от термопомпи, инсталирана в еднофамилна жилищна сграда. Вертикалният почвен топлообменник осигурява максимална мощност от около 70 W на метър дължина, което създава значително топлинно натоварване на заобикалящата почвена маса. Годишното производство на топлинна енергия е около 13 MWh

Бяха пробити две допълнителни кладенци на разстояние 0,5 и 1 м от основния кладенец, в които са монтирани температурни сензори на дълбочина 1, 2, 5, 10, 20, 35, 50, 65, 85 и 105 м, след което кладенците са пълни глинесто-циментова смес. Температурата се измерва на всеки тридесет минути. В допълнение към температурата на почвата бяха регистрирани и други параметри: скоростта на охлаждащата течност, консумацията на енергия от задвижването на компресора на термопомпата, температурата на въздуха и др.

Първият период на наблюдение е продължил от 1986 до 1991 година. Измерванията показаха, че влиянието на топлината от външния въздух и слънчевата радиация се наблюдава в повърхностния почвен слой до дълбочина 15 м. Под това ниво топлинният режим на почвата се формира главно поради топлината на земната вътрешност. За първите 2-3 години експлоатация маса температураоколо вертикалния топлообменник рязко намаля, но спадът на температурата намалява всяка година и след няколко години системата достига режим, близък до постоянен, когато температурата на почвената маса около топлообменника е с 1–2 oC по-ниска от първоначалната.

През есента на 1996 г., десет години след началото на експлоатацията на системата, измерванията бяха възобновени. Тези измервания показаха, че температурата на почвата не се е променила значително. В следващите години бяха регистрирани незначителни колебания на температурата на земята в рамките на 0,5 градуса С, в зависимост от годишното нагряващо натоварване. По този начин системата влезе в квазистационарен режим след първите няколко години на работа.

Въз основа на експерименталните данни са конструирани математически модели на процесите, протичащи в почвената маса, които позволяват да се направи дългосрочна прогноза за промените в температурата на почвената маса.

Математическото моделиране показа, че годишното понижаване на температурата постепенно ще намалява и обемът на почвената маса около топлообменника, подложен на по-ниски температури, ще се увеличава всяка година. В края на експлоатационния период започва процесът на регенерация: температурата на почвата започва да се повишава. Характерът на процеса на регенерация е подобен на характера на процеса на "селекция" на топлина: в първите години на работа има рязко повишаване на температурата на почвата, а в следващите години скоростта на повишаване на температурата намалява. Продължителността на периода на "регенерация" зависи от продължителността на експлоатационния период. Тези два периода са приблизително еднакви. В този случай периодът на работа на почвения топлообменник е тридесет години, а периодът на „регенерация“ също се оценява на тридесет години.

По този начин системите за подаване на топлина и студ на сгради, използващи нискокачествената топлина на Земята, са надежден източник на енергия, който може да се използва навсякъде. Този източник може да се използва достатъчно дълго време и може да бъде подновен в края на експлоатационния период.

литература

1. Rybach L. Състояние и перспективи на геотермалните термопомпи (GHP) в Европа и по света; аспекти на устойчивостта на ПГ. Международен курс за геотермални термопомпи, 2002 г.

2. Василиев Г. П., Кръндишев Н.С. Енергийно ефективно селско училище в района на Ярославъл. АБОК № 5, 2002 г.

3. Sanner B. Основни източници на топлина за термопомпи (класификация, характеристики, предимства). 2002

4. Rybach L. Състояние и перспективи на геотермалните термопомпи (GHP) в Европа и по света; аспекти на устойчивостта на ПГ. Международен курс за геотермални термопомпи, 2002 г.

5. Работна група ORKUSTOFNUN, Исландия (2001 г.): Устойчиво производство на геотермална енергия - предложено определение. Новини от IGA 43, януари-март 2001 г., 1-2

6. Rybach L., Sanner B. Системи за термопомпи за наземни източници - европейският опит. GeoHeat - Център бик. 21/1, 2000г

7. Пестене на енергия с жилищни термопомпи в студен климат. Брошура Maxi 08. CADDET, 1997

8. Анализ на термопомпата с единична абсорбция на налягането в Atkinson Schaefer L. Дисертация, представена на Академичния факултет. Технологичен институт в Джорджия, 2000 г.

9. Морли Т. Реверсивният топлинен двигател като средство за отопление на сгради, Инженерът 133: 1922

10. Fearon J. Историята и развитието на термопомпата, хладилната и климатичната инсталация. 1978

11. Василиев Г.П. Енергийно ефективни сгради с отоплителни системи с термопомпа. Списание „Жилища и комунални услуги“, № 12, 2002 г.

12. Ръководство за използването на термопомпи, използващи вторични енергийни ресурси и нетрадиционни възобновяеми енергийни източници. Moskomarkhitektura. Държавно единно предприятие "НИАК", 2001г

13. Енергоефективна жилищна сграда в Москва. АБОК № 4, 1999г

14. Василиев Г.П. Енергоефективна експериментална жилищна сграда в микрорайон Никулино-2. АБОК № 4, 2002 г.

Кирил Дегтярев, изследовател, Московски държавен университет М. В. Ломоносов.

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.

Снимка на Игор Константинов.

Промяна на температурата на почвата с дълбочина.

Повишаването на температурата на термалните води и сухите скали, обграждащи ги с дълбочина.

Температурата се променя с дълбочина в различни региони.

Изригването на исландския вулкан Eyyafyatlayokudl е илюстрация на насилствени вулканични процеси, протичащи в активни тектонски и вулканични зони с мощен топлинен поток от недрата на земята.

Инсталиран капацитет на геотермалните централи в страните на света, MW.

Разпределение на геотермалните ресурси в Русия. Резервите на геотермалната енергия според специалистите са няколко пъти по-високи от енергийните запаси на органичните изкопаеми горива. Според сдружението "Общество за геотермална енергия".

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, т.е. дебелината на целогодишно замръзнали почви на места достига 200-300 м.

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.

Загряването на дълбоките пластове на Земята се свързва главно с разпадането на намиращите се там радиоактивни елементи, 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 незабележима стойност: 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 се увеличава с дълбочина с 2,5-3 ° С 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 о 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? При поддържане на тенденцията температурата на дълбочина от 10 км трябва да бъде средно около 250-300 ° С. 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 свръхдълбоката 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 в Северния Каспийски регион, където на дълбочина 500 m температурата е 42 o С, на 1,5 km - 70 o С, на 2 km - 80 o С, на 3 km - 108 o S.

Предполага се, че геотермалният градиент намалява, започвайки от дълбочина 20-30 км: на дълбочина 100 км очакваните температури са около 1300-1500 o С, на дълбочина 400 km - 1600 o С, в земното ядро \u200b\u200b(дълбочини над 6000 km) - 4000-5000 o S.

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“. По 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 ° С, 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 Eyjafjallajökull през 2010 г.

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.

(Краят следва.)

Най-голямата трудност е да се избегне патогенната микрофлора. И е трудно да се направи в наситена и топла среда. Дори най-добрите изби винаги имат мухъл. Следователно, ние се нуждаем от система за редовно използвано почистване на тръбите от всяка гадост, която се натрупва по стените. И да направите това с 3-метрова полагане не е толкова просто. На първо място идва на ум механичен метод - четка. Как да почистите комини. Използване на някакъв вид течна химия. Или газ. Ако например изпомпвате фосген през тръбата, тогава всичко ще умре и за няколко месеца това може да е достатъчно. Но всеки газ влиза в химикал. реакция с влага в тръбата и съответно се утаява в нея, което я прави въздух за дълго време. Дългото проветряване ще доведе до възстановяване на патогени. Тук се нуждаете от компетентен подход с познания за съвременните почистващи препарати.

  По принцип подписвам под всяка дума! (Наистина не знам на какво да се наслаждавам тук).

В тази система виждам няколко проблема, които трябва да бъдат решени:

1. Дължината на дадения топлообменник достатъчна ли е за ефективното му използване (някакъв ефект ще бъде от съществено значение, но не е ясно кой)
  2. Кондензация. През зимата няма да бъде, тъй като през тръбата ще се изпомпва студен въздух. Кондензатът ще падне от външната страна на тръбата - в земята (по-топло е). Но през лятото ... Проблемът е КАК да изпомпвам кондензат от по-дълбочина от 3 м - вече съм мислил да направя запечатан добре стъкло отстрани на всмукателния кондензат, който да събира кондензат. За да инсталирате помпа в него, която периодично ще изпомпва кондензат ...
  3. Приема се, че канализационните тръби (пластмасови) са плътни. Ако е така, подземните води около него не трябва да проникват навътре и не трябва да влияят на влажността на въздуха. Затова предполагам, че влажността (както в мазето) няма да има. Поне през зимата. Мисля, че мазето е мокро поради лоша вентилация. Мухълът не обича слънце и чернови (в тръбата ще има чернови). И сега въпросът е КАК стегнати ли са канализационните тръби в земята? На колко години са за мен? Факт е, че този проект е съпътстващ - изкопът се копае за канализация (ще бъде на дълбочина 1-1,2 м), след това изолация (пенополистирол) и по-сигурно земната батерия). Това означава, че тази система не може да се поправи по време на намаляване на налягането - няма да я копая - просто я поставя в земята и това е всичко.
4. Почистване на тръби. Мислех в долната точка да направя проверка добре. Сега има по-малко „интуиционизъм“ по тази причина - подземните води - може да се окаже, че ще бъде наводнен и ZERO няма да е от полза. Без кладенец няма много възможности:
   а. се правят ревизии от двете страни (за всяка 110 мм тръба), които влизат в повърхността, в тръбата се вкарва неръждаем кабел. За почистване прикрепяме квак към него. Минус - куп тръби навлизат на повърхността, което ще повлияе на температурата и хидродинамичната работа на батерията.
  б. периодично заливайте тръбите с вода с белина, например (или друг дезинфектант), изпомпвайки вода от кладенеца за конденз в другия край на тръбите. След това изсушете тръбите с въздух (възможно в същия режим - от дома до вън, въпреки че тази идея не ми харесва много).
  5. Няма да има мухъл (течение). но други микроорганизми, които живеят в питие - много. Има надежда за зимен режим - студен, сух въздух дезинфекцира добре. Опцията за защита е филтър на входа на батерията. Или ултравиолетово (скъпо)
  6. Колко трудно е да задвижвате въздух в такъв дизайн?
   Входен филтър (фина мрежа)
   -\u003e обърнете 90 градуса надолу
   -\u003e 4m 200mm тръба надолу
   -\u003e разделяне на поток в 4 110 мм тръби
   -\u003e 10 метра хоризонтално
   -\u003e обърнете 90 градуса надолу
   -\u003e 1 метър надолу
   -\u003e 90 градусово завъртане
   -\u003e 10 метра хоризонтално
   -\u003e събиране на потока в 200 мм тръба
   -\u003e 2 метра нагоре
   -\u003e завийте на 90 градуса (в къщата)
   -\u003e филтърна хартия или плат джоб
   -\u003e вентилатор

Имаме 25м тръби, 6 оборота на 90 градуса (завой може да се направи по-гладко - 2х45), 2 филтъра. Искам 300-400m3 / h. Скорост ~ 4m / s

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 влияние 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 ° C 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 почвена 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 е 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 свързано 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 в по-голямата част от почвената маса има температурен градиент, 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 атмосферните валежи, 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. Всъщност, 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 др.), 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. Например, слабото познаване на процесите на формиране на филтрационни потоци от подземни води, техния режим на скорост, както и невъзможността за получаване на достоверна информация за режима на топлина и влажност на почвените слоеве под засегнатата от топлината зона на почвения 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 масива от почвени масиви от системи за събиране на топлина.

Същността на метода се състои в разглеждането, когато се изгражда математически модел, разликата между две задачи: „основният“ проблем, който описва топлинния режим на почвата в естественото й състояние (без влиянието на почвения топлообменник на системата за събиране на топлина), и проблемът, който трябва да бъде решен, който описва топлинния режим на почвената маса с топлинни поглъщания (източници). В резултат на това методът позволява да се получи решение по отношение на 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 термичен режим на почвата, експериментално получена от метеорологичните станции в модели. 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 за топлинния режим на почвения цилиндър, замръзнал около тръбите на почвения топлообменник, с "еквивалентен" квазистационарен проблем с близко температурно поле и същата граница условия, но с различна „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 въз основа на това изготвяне на заключение за ефективността и осъществимостта на прилагане на една или друга схема на GTST. Изчислените стойности на климатичните параметри, дадени в действащите регулаторни документи, не дават пълно описание на външния климат, 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 посочи на първо място:

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

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

В таблицата. Фигури 1–5 показват данни за средните месечни температури на почвата на различни дълбочини за някои градове в 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 м 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 град Ставропол е 7,4 ° С, а в град Якутск - (–4,4 ° С); съответно интервалът на температурата на почвата на дадена дълбочина е 11,8 градуса. Този факт ни позволява да разчитаме на създаването на достатъчно унифицирано оборудване за термопомпи, подходящо за работа практически в цяла 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 външна температура. 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 системата за подаване на топлинна помпа (топлинна загуба на сградата) 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 термопомпи 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 условията за работа на GTST в климатични условия на различни региони на Руската федерация. Числени експерименти бяха проведени на примера на хипотетична двуетажна вила с отопляема площ от 200 м 2, оборудвана с геотермална система за подаване на топлинна помпа. Външните ограждащи конструкции 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 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 понижение на температурата на почвата, като 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 експлоатация на системата за събиране на топлина върху естествения температурен режим на почвата имат ясно изразен 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, при зониране 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 парникови газове, средният коефициент на топлопреобразуване K r tr за 5-тата година на експлоатация е избран като критерий за ефективността на топлоснабдителната система на геотермалната термопомпа, което е съотношението на полезната топлинна енергия, генерирана от ПГ, и 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, отнесена 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 работата 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 термичен режим на почвата, което позволява частично отчитане целият комплекс от фактори (като наличието на подземни води, тяхната скорост и топлинни режими, структура и местоположение) почвени слоеве, „термичен“ фон на Земята, атмосферни валежи, фазови трансформации на влага 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 GTST конфигурацията за конкретна сграда и строителна зона. В същото време обективната функция на задачата за оптимизация е минималните годишни енергийни разходи за работата на GTST, а критериите за оптимизация са радиусът на тръбите на почвения топлообменник, неговата (топлообменник) дължина и дълбочина.

Резултатите от числените експерименти и зонирането 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 трансформация 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 системите за хоризонтално 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 южната част на 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 даден район, като задвижваме GTS със стойността за тази местност K p tr, намалена с 1, получаваме количеството енергия, спестено от GTS с 1 m 2 загрята площ годишно. 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 130, а 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 подаване на топла 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, както и разходите за енергия за нейното горещо водоснабдяване в отделни статии. В същото време енергийните разходи за водоснабдяване 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-близък (PD) и инсталираната електрическа мощност на хоризонталния GTS 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 минималната годишна консумация на енергия за GTST + PD задвижването. Както се вижда от фигурите, рационалното съотношение на мощностите на термичната PD и електрическата 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 инсталирания електрически капацитет на GTST + PD е както за хоризонтален, така и за вертикален GTST в рамките на 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 на електрическото оборудване, инсталирано в отопляваната 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 предвид, се оказва, че при сегашните тарифи за електроенергия и свързването към централизираните електроснабдителни мрежи в Централната зона на Руската федерация, дори за еднократни разходи за GTTS, се оказва 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 най-близкия връх (PD), в общото годишно енергопотребление на системата, хоризонталният GTST + PD варира от 0% в Южна Русия до 38–40% в Якутск и град Тър и за вертикален GTST + PD, съответно, от 0% на юг и до 48,5% в град Якутск. В централната ивица 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 kW, 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 е изисквания за обвивката на сградата, без да се вземат предвид нейните (строителни) взаимовръзки с климата и енергийната система за снабдяване, комунални услуги и др. В резултат на това в много близко бъдеще решението на проблема с избора на рационално ниво на топлинна защита ще бъде възможно само Въз основа на разглеждането на строителния комплекс + система за енергоснабдяване + климат + околна среда като единна екоенергийна 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. Топло и студено снабдяване на сгради и конструкции, използващи ниско потенциална топлинна енергия на повърхностните слоеве на Земята: Монография. Издателство „Граница“. - М.: Червена звезда, 2006.

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 повишаването 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, както 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, геотермалната стъпка 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 изчислява 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 100 км трябва да е имало температура 3000 или 2000 o C. Това обаче е в разрез с действителните данни. Именно на тези дълбочини периодично възникват камери от магма, 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 от 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 някаква 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 по протежението на кладенеца Кола, разположен в стабилен кристален щит на платформата. Когато този кладенец е положен, се изчислява геотермален градиент от 10 o за 1 km 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. Вторият 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 дават възможност да се определи референтната температура на дълбочина, съответстваща на първата зона на фазови преходи (400 км)" (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, паднали на Земята в 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-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 изучаване 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.