„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 представлява един от глобалните глобални проблеми, чието успешно решение, 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, са свързани 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 изглежда много ефективно направление за въвеждане на технологиите на практика в домашното строителство 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  чрез 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 зимния сезон, 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 области на използване на ниско-потенциалната 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 системи 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, проектирана да използва ниско потенциалната топлина на Земята, оборудвана с електрически компресори.

През последните десет години, броят на системите, които използват ниско потенциалната топлина на Земята за подаване на топлина и студ към сградите термопомписе увеличи значително. Най-голям брой такива системи се използват в САЩ. Голям брой такива системи функционират в Канада и страни от Централна и Северна Европа: Австрия, Германия, Швеция и Швейцария. Швейцария е водеща 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 използва почвената топлина на повърхностните слоеве на Земята, както и отделената топлина на вентилирания 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 топлообменен елемент на ниско-потенциалната почвена система за събиране на топлина са вертикални коаксиални наземни 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 подаване на топла вода е оборудвана с резервоари за съхранение.

Данните за оценка на глобалното 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 от повърхностните (до 400 м дълбочина) слоеве на Земята могат да се използват като източник на ниско потенциална топлинна енергия, По принцип топлинното съдържание на почвената маса 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 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.

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 във 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 формира 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 различните механизми на тяхното изпълнение: топлопроводимост в единична частица, пренос на топлина от една частица в друга при техния контакт, молекулярно топлопроводимост в пропуски в средата 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 се свързват преди всичко с липсата на ясни представи за характера на разпределението на твърди, течни и газообразни фази на влага в една или друга структура на системата. Характерът на силите на свързване на влагата с частиците на скелета, зависимостта на формите за свързване на влагата с материала на различни етапи от овлажняване и механизмът на движение на влагата в пространството на порите все още не са изяснени.

Ако има температурен градиент в дебелината на почвения масив, молекулите на парата се придвижват до места с намален 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.

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

Фиг. 2. Фактори, под въздействието на които се формира температурата 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 почвен масив; когато топлоносителят циркулира през тях с температура, по-ниска от тази на почвата, топлинната енергия 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-офисния 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, които използват нискокачествена топлина от водоемите, са отворени системи, както и системите, които използват нискокачествена топлина от подземни води.

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

Хоризонтален почвен топлообменник(термините „колектор за земна топлина“ и „хоризонтален контур“ се използват и в английската литература), той обикновено се намира в близост до къща на малка дълбочина (но под нивото на замръзване 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 на площадката, 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;
г - топлообменник под формата на спирала, разположена хоризонтално (т. нар. "мургав" 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 над нивото на земята). Системите с вертикални наземни топлообменници не изискват големи площи 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 горещо 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 почвени 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 повиши 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 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 монолитни почвени топлообменници 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, същият дълбок (от 100 до 450 м дълбочина), добре напълнен с вода, може да бъде или производство, или инжектиране. Диаметърът на кладенеца обикновено е 15 см. В долната част на кладенеца се поставя помпа, чрез 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 система за кладенци“ (Фиг. 8).

Фиг. 8. Схема на кладенец от тип „кладенец на стояща 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, която изисква увеличена 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 се намалява допълнително. 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 източникът 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 нискокачествена 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). “

Задържани 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. Обаче обвивките на топлинния ефект от продължителната 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 неговата 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 вертикален коаксиален 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 температурата намалява всяка година и след няколко години системата достига режим, близък до постоянен, когато температурата на почвената маса около топлообменника спадне с 1–2 oC.

През есента на 1996 г., десет години след началото на експлоатацията на системата, измерванията бяха възобновени. Тези измервания показват, че температурата на почвата не се променя значително. В следващите години се наблюдават леки колебания в температурата на почвата 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.

Една от най-добрите, рационални техники при изграждането на капитални оранжерии е подземен термос за оранжерия.
  Използването на този факт за постоянството на температурата на земята на дълбочина в устройството на оранжерията дава огромни спестявания при разходите за отопление в студения сезон, улеснява поддръжката, прави микроклимата по-стабилен.
  Такава оранжерия работи в най-напукващите студове, ви позволява да произвеждате зеленчуци, да отглеждате цветя през цялата година.
  Правилно оборудван погребан оранжерий дава възможност за отглеждане, включително топлинно обичащи южни култури. Практически няма ограничения. Цитрусовите плодове и дори ананасите могат да се чувстват чудесно в оранжерия.
  Но за да може всичко да функционира правилно на практика, е наложително да се спазват изпитаните във времето технологии, чрез които са изградени подземни оранжерии. В края на краищата тази идея не е нова, дори при царя в Русия, заровени оранжерии дадоха реколти от ананаси, които предприемчиви търговци изнасяха за продажба в Европа.
  По някаква причина изграждането на такива оранжерии не намери широко разпространение у нас, като цяло просто се забравя, въпреки че дизайнът е идеален точно за нашия климат.
  Вероятно ролята тук е изиграна от необходимостта да се копае дълбока фундаментна яма, изсипвайки основата. Изграждането на заровена оранжерия е доста скъпо, далеч не е оранжерия, покрита с полиетилен, но възвръщаемостта на оранжерията е много по-голяма.
  От задълбочаването в земята общата вътрешна осветеност не се губи, това може да изглежда странно, но в някои случаи наситеността със светлина е дори по-висока от тази на класическите оранжерии.
Невъзможно е да не споменем силата и надеждността на конструкцията, тя е несравнимо по-силна от обикновено, понася по-лесно ураганните пориви на вятъра, издържа на градушка и снежните блокажи няма да се превърнат в пречка.

1. Яма

Създаването на оранжерия започва с изкопаването на яма. За да използвате топлината на земята за загряване на вътрешния обем, оранжерията трябва да бъде достатъчно задълбочена. Колкото по-дълбока, толкова по-топла е земята.
  Температурата почти не се променя през годината на разстояние 2-2,5 метра от повърхността. На дълбочина 1 m температурата на почвата се колебае повече, но през зимата стойността й остава положителна, обикновено в средната лента температурата е 4-10 C, в зависимост от сезона.
  Погребан парник е издигнат за един сезон. Тоест, през зимата той вече ще може да функционира и да генерира доход. Строителството не е евтино, но използвайки изобретателност и компрометиращи материали, е възможно да спестите буквално цяла поръчка, като направите един вид икономична версия на оранжерията, като се започне от фундаментната яма.
  Например, направете без да включвате строителна техника. Макар че най-отнемащата част от работата време - изкопаването на яма - разбира се, е по-добре да я дадете на багер. Ръчно извеждането на такъв обем земя е трудно и дълго.
  Дълбочината на ямата на ямата трябва да бъде най-малко два метра. На такава дълбочина земята ще започне да споделя своята топлина и ще работи като вид термос. Ако дълбочината е по-малка, тогава по принцип идеята ще работи, но забележимо по-малко ефективно. Затова се препоръчва да не се щадят усилия и ресурси за задълбочаване на бъдещата оранжерия.
  Подземните оранжерии могат да бъдат с всякаква дължина, но е по-добре да се поддържа ширината в рамките на 5 метра, ако ширината е по-голяма, тогава качествените характеристики на отоплението и отражението на светлината се влошават.
  Отстрани на хоризонта подземните оранжерии трябва да бъдат ориентирани, като обикновени оранжерии и котловини, от изток на запад, тоест така, че една от страните да е обърната на юг. В това положение растенията ще получават максималното количество слънчева енергия.

2. Стени и покрив

По периметъра на ямата се излива фундамент или се поставят блокове. Основата служи като основа за стените и рамката на конструкцията. Стените са най-добре направени от материали с добри топлоизолационни характеристики, топлинните блокове са отлична опция.

Рамката на покрива често е направена от дърво, от прътите, импрегнирани с антисептични средства. Покривната конструкция обикновено е права фронтон. В центъра на конструкцията е фиксиран гребен греда, за това на пода са монтирани централни опори по цялата дължина на оранжерията.

Гребен греда и стени са свързани с редица греди. Рамката може да бъде направена без високи опори. Те се заменят с малки, които се поставят върху напречните греди, свързващи противоположните страни на оранжерията - този дизайн прави вътрешното пространство по-свободно.

Като покривно покритие е по-добре да вземете клетъчен поликарбонат - популярен модерен материал. Разстоянието между ребрата по време на строителството се настройва на ширината на поликарбонатните листове. Удобно е да работите с материала. Покритието се получава с малък брой фуги, тъй като листовете се произвеждат с дължина 12 m.

Те са прикрепени към рамката с самонарезни винтове, по-добре е да ги изберете с шапка под формата на шайба. За да избегнете напукване на листа, под всеки самонарезен винт трябва да пробиете дупка със съответния диаметър със свредло. С отвертка или обикновена бормашина с напречен бит остъкляването работи много бързо. За да се избегнат пукнатини, е добре да се поставят ребрата отгоре с уплътнител, направен от мека гума или друг подходящ материал, и едва след това да закрепите листовете. Върхът на покрива по билото трябва да бъде положен с мека изолация и притиснат с някакъв ъгъл: пластмаса, от калай, от друг подходящ материал.

За добра топлоизолация покривът понякога се прави с двоен слой от поликарбонат. Въпреки че прозрачността е намалена с около 10%, тя е покрита от отлични характеристики на топлоизолация. Трябва да се отбележи, че снегът на такъв покрив не се топи. Следователно наклонът трябва да бъде под достатъчен ъгъл, поне 30 градуса, за да не се натрупва сняг на покрива. Освен това е инсталиран електрически вибратор за разклащане, той ще предпази покрива в случай, че снегът все още се натрупва.

Двойното остъкляване се извършва по два начина:

Между два листа се поставя специален профил, листовете са прикрепени към рамката отгоре;

Първо, долният слой остъкляване е прикрепен към рамката отвътре, от долната страна на ребрата. Вторият слой на покрива е покрит, както обикновено, отгоре.

След приключване на работата е препоръчително да залепите всички фуги с тиксо. Готовият покрив изглежда много впечатляващ: без излишни фуги, гладък, без видни части.

3. Загряване и отопление

Изолацията на стените се извършва по следния начин. Първо трябва да намажете старателно с разтвор всички фуги и шевове на стената, тук можете да нанесете монтажна пяна. Вътрешната страна на стените е покрита с топлоизолационен филм.

В студените части на страната е добре да използвате фолио с дебел филм, покривайки стената с двоен слой.

Температурата в дълбините на почвата на оранжерията е над нулата, но по-студена от температурата на въздуха, необходима за растежа на растенията. Най-горният слой се загрява от слънчевите лъчи и въздуха на оранжерията, но все пак почвата премахва топлината, затова често в подземни оранжерии използват технологията на "топли подове": нагревателният елемент - електрически кабел - е защитен с метална решетка или излят с бетон.

Във втория случай почвата за легла се изсипва върху бетон или зеленина се отглежда в саксии и саксии.

Използването на топъл под може да е достатъчно за отопление на цялата оранжерия, ако има достатъчно мощност. Но използването на комбинирано отопление е по-ефективно и по-удобно за растенията: топъл под + отопление с въздух. За добър растеж се нуждаят от температура на въздуха 25-35 градуса при земна температура около 25 С.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Разбира се, изграждането на заровена оранжерия ще струва повече и ще бъдат необходими повече усилия, отколкото при изграждането на подобна оранжерия с конвенционален дизайн. Но средствата, инвестирани в оранжерията на термос, са оправдани във времето.

Първо, спестява енергия при отопление. Без значение как обикновената наземна оранжерия се отоплява през зимата, тя винаги ще бъде по-скъпа и по-трудна от подобен метод за отопление в подземна оранжерия. Второ, спестяване на осветление. Изолация от фолио на стените, отразяваща светлината, удвоява осветеността. Микроклиматът в задълбочената оранжерия през зимата ще бъде по-благоприятен за растенията, което със сигурност ще се отрази на производителността. Фиданките лесно ще се вкоренят, деликатните растения ще се чувстват отлично. Такава оранжерия гарантира стабилен, висок добив на всякакви растения през цялата година.

Промяна на температурата с дълбочина. Земната повърхност, поради неравномерния прием на слънчева топлина, се нагрява или охлажда. Тези температурни колебания проникват много дълбоко в Земята. И така, ежедневните колебания на дълбочина 1 mобикновено почти вече не се усеща. Що се отнася до годишните колебания, те проникват на различни дълбочини: в топлите страни с 10-15 mа в страни със студени зими и горещо лято, до 25-30 и дори 40 м.По-дълбоки 30-40 mвече навсякъде на Земята температурата остава непроменена. Например термометър, поставен в мазето на Парижката обсерватория, през цялото време от над 100 години показва 11 °, 85С.

По цялото земно кълбо се наблюдава слой с постоянна температура и се нарича пояс с постоянна или неутрална температура. Дълбочината на този пояс, в зависимост от климатичните условия, е различна, а температурата е приблизително средната годишна температура на това място.

При задълбочаване в Земята под слой с постоянна температура обикновено се забелязва постепенно повишаване на температурата. Това първо забелязаха работниците в дълбоки мини. Това беше забелязано при полагане на тунели. Така например при полагане на тунела Simplonsky (в Алпите) температурата се повиши до 60 °, което създаде значителни затруднения в работата. Още по-високи температури се наблюдават в дълбоки сондажи. Пример е кладенецът Чухов (Горна Силезия), в който на дълбочина 2220г mтемпературата беше над 80 ° (83 °, 1) и т.н. Въз основа на толкова много наблюдения, направени на различни места по Земята, беше възможно да се установи, че средно за всеки 33 mтемпературата се повишава с 1 ° С.

Броят на метрите, с които човек трябва да отиде по-дълбоко в Земята, така че температурата да се повиши с 1 ° C, се нарича геотермален етап.Геотермалният етап в различните случаи не е един и същ и най-често е от 30 до 35 м.В някои случаи тези колебания могат да бъдат по-големи. Например в щата Мичиган (САЩ), в една от сондажите, разположени близо до езерото. Мичиган, геотермалният етап не беше 33, но 70 м.Напротив, много малък геотермален етап беше наблюдаван в един от кладенците в Мексико, Там на дълбочина 670 m  имаше вода с температура 70 °. По този начин геотермалният етап беше едва около 12 м.Малки геотермални стъпки се наблюдават и във вулканични райони, където на плитки дълбочини все още може да има неотопляеми слоеве от магматични скали. Но всички подобни случаи не са толкова правилата, колкото изключенията.

Има много причини, които влияят на геотермалния етап. (В допълнение към горното може да се посочи различна топлопроводимост на скалите, естеството на постелята и т.н.

От голямо значение за разпределението на температурата има топографията. Последното може ясно да се види на приложената рисунка (фиг. 23), изобразяваща участък от Алпите по протежението на тунела Симпленски с пунктирани геоизотерми (т.е. линии с еднаква температура вътре в Земята). Геоизотермите тук повтарят релефа, но с дълбочина влиянието на релефа постепенно намалява. (Силното огъване на геоизотермите надолу при Бале се дължи на наблюдаваната тук силна циркулация на водата.)

Земна температура на големи дълбочини.   Наблюдения на температурите в сондажи, дълбочината на които рядко надвишава 2-3 км,естествено, те не могат да дадат представа за температурите на по-дълбоките слоеве на Земята. Но тук на помощ ни идват някои явления от живота на земната кора. Сред тези явления е вулканизмът. Вулканите, широко разпространени по земната повърхност, пренасят разтопени лави до земната повърхност, чиято температура надвишава 1000 °. Следователно, на големи дълбочини имаме температура над 1000 °.

Имаше време, когато учените въз основа на геотермалния етап се опитваха да изчислят дълбочината, при която температурите могат да достигнат 1000-2000 °. Такива изчисления обаче не могат да се считат за достатъчно обосновани. Наблюденията, направени над температурата на охлаждащата базалтова топка, и теоретичните изчисления дават основание да се каже, че величината на геотермалния етап се увеличава с дълбочина. Но до каква степен и до каква дълбочина се развива това увеличение, засега също не можем да кажем.

Ако приемем, че температурата се увеличава непрекъснато с дълбочината, то в центъра на Земята тя трябва да бъде измерена в десетки хиляди градуси. При такива температури всички известни на нас скали трябва да преминат в течно състояние. Вярно е, че вътре в Земята има огромен натиск и ние не знаем нищо за състоянието на телата при подобни налягания. Независимо от това, ние нямаме данни да твърдим, че температурата непрекъснато се увеличава с дълбочина. Сега повечето геофизици стигат до извода, че температурата вътре в Земята едва ли може да бъде повече от 2000 °.

Източници на топлина. Що се отнася до източниците на топлина, които определят вътрешната температура на Земята, те могат да бъдат различни. Въз основа на хипотези, които смятат, че Земята е образувана от гореща и разтопена маса, вътрешната топлина трябва да се счита за остатъчната топлина на тялото, отмиваща се от повърхността. Има обаче основание да се смята, че причината за вътрешната висока температура на Земята може да е радиоактивният разпад на уран, торий, актиноуран, калий и други елементи, съдържащи се в скалите. Радиоактивните елементи се разпространяват най-вече в кисели скали от земната повърхностна обвивка, по-малко от тях се намират в дълбоки основни скали. В същото време основните скали са по-богати от железни метеорити, които се считат за фрагменти от вътрешните части на космическите тела.

Въпреки малкото количество радиоактивни вещества в скалите и бавното им разпадане, общото количество топлина в резултат на радиоактивно разпадане е голямо. Съветски геолог В. Г. Хлопинизчисли, че радиоактивните елементи, съдържащи се в горната 90-километрова обвивка на Земята, са достатъчни, за да покрият загубата на топлина на планетата чрез радиация. Заедно с разпадането на радиоактивните вещества, топлинната енергия се освобождава по време на компресията на земното вещество, по време на химичните реакции и т.н.

- Източник -

Половинкин, А.А. Основи на общата география / A.A. Половинкин.- М .: Държавно образователно-педагогическо издателство на Министерството на образованието на РСФСР, 1958.- 482 с.

Преглеждания на публикации: 179

У нас, богата на въглеводороди, геотермалната енергия е екзотичен ресурс, който в днешната ситуация е малко вероятно да се конкурира с нефт и газ. Въпреки това, тази алтернативна енергия може да се използва почти навсякъде и доста ефективно.

Геотермалната енергия е топлината на земната вътрешност. Произвежда се в дълбините и навлиза в земната повърхност в различни форми и с различна интензивност.

Температурата на горните слоеве на почвата зависи главно от външни (екзогенни) фактори - слънчево осветление и температура на въздуха. През лятото и деня почвата се затопля до определени дълбочини, а през зимата и през нощта се охлажда след промяна на температурата на въздуха и с известно изоставане, увеличавайки се с дълбочина. Влиянието на дневните колебания на температурата на въздуха завършва на дълбочина от единици до няколко десетки сантиметра. Сезонните вибрации улавят по-дълбоки слоеве на почвата - до десетки метра.

На определена дълбочина - от десетки до стотици метра - температурата на почвата се поддържа постоянна, равна на средната годишна температура на въздуха на повърхността на Земята. Това е лесно да се провери, като се спуснете в доста дълбока пещера.

Когато средната годишна температура на въздуха в дадена област е под нулата, това се проявява като вечна замръзване (по-точно, многогодишно). В Източен Сибир дебелината, тоест дебелината на целогодишно замръзнали почви достига на места 200–300 m.

От определена дълбочина (собствена за всяка точка на картата) действието на Слънцето и атмосферата отслабва толкова много, че на първо място излизат ендогенни (вътрешни) фактори, а вътрешността на земята се нагрява отвътре, така че температурата започва да се увеличава с дълбочина.

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 с дълбочина се повишава с 2,5–3 ° C на всеки 100 м. Съотношението на температурната разлика между две точки, лежащи на различни дълбочини, и разликата в дълбочина между тях се нарича геотермален градиент.

Реципрочният е геотермалният етап или интервал от дълбочини, при който температурата се повишава с 1 ° С.

Колкото по-висок е градиентът и съответно, колкото по-ниска е стъпката, толкова по-близо топлината на дълбочините на Земята се приближава до повърхността и толкова по-обещаваща е тази област за развитието на геотермалната енергия.

В различни райони, в зависимост от геоложката структура и други регионални и местни условия, скоростта на повишаване на температурата с дълбочина може да варира драстично. В мащаба на Земята колебанията в стойностите на геотермални градиенти и стъпки достигат 25 пъти. Например в Орегон (САЩ) наклонът е 150 ° C на 1 км, а в Южна Африка - 6 ° C на 1 км.

Въпросът е каква е температурата на големи дълбочини - 5, 10 км или повече? Ако тенденцията се запази, температурата на дълбочина от 10 км трябва да бъде средно около 250-300 ° C. Това се потвърждава повече или по-малко от директни наблюдения в свръх дълбоки кладенци, въпреки че картината е много по-сложна от линейно повишаване на температурата.

Например в 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 регистрирана на 42 ° C, на 1,5 km - 70 ° C, на 2 km - 80 ° C, на 3 km - 108 ° C.

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

На дълбочина до 10–12 км температурата се измерва чрез пробити сондажи; където те не съществуват, тя се определя от косвените характеристики по същия начин, както на по-големи дълбочини. Такива косвени признаци могат да бъдат естеството на преминаването на сеизмичните вълни или температурата на изливащата се лава.

За целите на геотермалната енергия обаче данните за температури на дълбочина над 10 км все още не представляват практически интерес.

На дълбочина от няколко километра има много топлина, но как да го повишим? Понякога самата природа решава този проблем за нас с помощта на естествена охлаждаща течност - отопляеми термални води, които излизат на повърхността или лежат на достъпна за нас дълбочина. В някои случаи водата в дълбините се нагрява до състояние на пара.

Няма строго определение на термина „термални води“. Като правило те означават гореща подземна вода в течно състояние или под формата на пара, включително тези, които достигат повърхността на Земята с температура над 20 ° C, тоест като правило е по-висока от температурата на въздуха.

Топлината на подземните води, смесите на пара, вода и вода е хидротермална енергия. Съответно енергията, базирана на използването му, се нарича хидротермална.

Ситуацията е по-сложна с производството на топлина директно от сухи скали - петротермална енергия, особено след като достатъчно високи температури, като правило, започват от дълбочина от няколко километра.

В Русия потенциалът на петротермалната енергия е сто пъти по-висок от този на хидротермалната енергия - съответно 3500 и 35 трилиона тона стандартно гориво. Това е съвсем естествено - топлината на дълбините на Земята е навсякъде, а локалните термални води се откриват. Поради очевидни технически затруднения, понастоящем термалните води се използват за производство на топлина и електричество.

Водата с температура от 20-30 до 100 ° C е подходяща за отопление, температура от 150 ° C и повече - и за производство на електричество в геотермални централи.

Като цяло геотермалните ресурси в Русия по отношение на тонове стандартно гориво или друга единица енергия са около 10 пъти по-високи от запасите на изкопаеми горива.

Теоретично само благодарение на геотермалната енергия би било възможно напълно да се задоволят енергийните нужди на страната. На практика в момента на по-голямата част от нейната територия това не е възможно по технически и икономически причини.

В света използването на геотермална енергия най-често се свързва с Исландия, страна, разположена в северния край на Средноатлантическия хребет, в изключително активна тектонска и вулканична зона. Вероятно всеки си спомня мощното изригване на вулкана Eyyafyatlaylayokudl ( Ейяфятлайокутл) през 2010г.

Благодарение на тази геоложка специфика Исландия има огромни запаси от геотермална енергия, включително горещи извори, достигащи повърхността на Земята и дори бликащи под формата на гейзери.

В Исландия в момента над 60% от цялата консумирана енергия се взема от Земята. Включително поради геотермалните източници се осигуряват 90% от отоплението и 30% от производството на електроенергия. Добавяме, че останалата част от електроенергията в страната се произвежда във водноелектрически централи, тоест използвайки и възобновяем енергиен източник, което прави Исландия да изглежда като вид глобален екологичен стандарт.

„Укротяването“ на геотермалната енергия през 20-ти век значително помогна на Исландия икономически. До средата на миналия век това беше много бедна страна, сега тя се нарежда на първо място в света по инсталиран капацитет и производство на геотермална енергия на глава от населението и е в челната десетка по абсолютна стойност на инсталирания капацитет на геотермалните централи. Населението му обаче е едва 300 хиляди души, което опростява задачата за преминаване към екологично чисти енергийни източници: нуждите от него като цяло са малки.

В допълнение към Исландия, висок дял на геотермалната енергия в общия баланс на производството на електроенергия се осигурява в Нова Зеландия и островните държави в Югоизточна Азия (Филипините и Индонезия), Централна Америка и Източна Африка, чиято територия също се характеризира с висока сеизмична и вулканична активност. За тези страни, с настоящото си ниво на развитие и нужди, геотермалната енергия има значителен принос за социално-икономическото развитие.

Използването на геотермална енергия има много дълга история. Един от първите известни примери е Италия, място в провинция Тоскана, сега наречена Лардерело, където още в началото на 19 век местните горещи термални води, които се изливат естествено или се извличат от плитки кладенци, се използват за енергийни цели.

Водата от подземни източници, богата на бор, е била използвана тук за производството на борна киселина. Първоначално тази киселина се получава чрез изпаряване в железни котли, а обикновените дърва за огрев от близките гори са взети като гориво, но през 1827 г. Франческо Лардерел създава система, която работи върху топлината на самите води. В същото време те започнаха да използват енергията на естествената водна пара за експлоатацията на сондажни съоръжения, а в началото на XX век - за отопление на местни къщи и оранжерии. На същото място в Лардерело през 1904 г. термалната водна пара се превръща в енергиен източник за производство на електроенергия.

Примерът на Италия в края на XIX - началото на XX век е последван от няколко други страни. Например през 1892 г. термалните води за първи път са използвани за локално отопление в САЩ (Boise, Айдахо), през 1919 г. в Япония, през 1928 г. в Исландия.

В САЩ първата хидротермална електроцентрала се появява в Калифорния в началото на 30-те години на миналия век, в Нова Зеландия през 1958 г., в Мексико през 1959 г., в Русия (първата в света бинарна GeoPP) през 1965 г. ,

Стар принцип на нов източник

Производството на електроенергия изисква по-висока температура на хидравличния източник, отколкото за отопление - повече от 150 ° C. Принципът на работа на геотермална електроцентрала (GeoES) е подобен на този на конвенционална ТЕЦ. Всъщност геотермалната централа е вид топлоелектрическа централа.

В ТЕЦ-тата по принцип въглищата, газът или мазутът действат като основен източник на енергия, а водната пара служи като работна течност. Горивото, изгаряне, загрява водата до състояние на пара, която върти парната турбина и тя генерира електричество.

Разликата на GeoES е, че основният източник на енергия тук е топлината на земната вътрешност и работният флуид под формата на пара влиза в лопатките на турбината на електрическия генератор в „завършена“ форма директно от произвеждащия кладенец.

Има три основни схеми за работа на GeoES: директно, използващо суха (геотермална) пара; непряка, базирана на хидротермална вода и смесена, или бинарна.

Използването на определена схема зависи от състоянието на агрегация и температурата на енергийния носител.

Най-простата и следователно първата от овладените схеми е правият ред, при който парата, идваща от кладенеца, се предава директно през турбината. Първият в света GeoPP в Лардерело през 1904 г. също работи на суха пара.

GeoES с индиректна схема на работа в наше време е най-често срещаният. Те използват гореща подземна вода, която се изпомпва под високо налягане в изпарителя, където част от него се изпарява, а получената пара върти турбината. В някои случаи са необходими допълнителни устройства и вериги за пречистване на геотермалната вода и пара от агресивни съединения.

Отпадъчната пара влиза в инжекционния кладенец или се използва за отопление на помещенията - в този случай принципът е същият, както по време на работа на когенерацията.

В бинарните GeoPP топла термална вода взаимодейства с друга течност, която действа като работна течност с по-ниска точка на кипене. И двете течности се преминават през топлообменник, където термалната вода изпарява работната течност, парата на която върти турбината.

Тази система е затворена, което решава проблема с емисиите във въздуха. В допълнение, работните течности със сравнително ниска точка на кипене позволяват използването на не много горещи термални води като основен източник на енергия.

И трите схеми използват хидротермален източник, но петротермалната енергия може да се използва и за производство на електроенергия.

Схемата на схемата в този случай също е доста проста. Необходимо е да се пробият два взаимосвързани ямки - инжектиране и производство. Водата се изпомпва в инжекционния кладенец. На дълбочина се нагрява, след това се нагрява вода или пара, образувана в резултат на силно загряване през производствен кладенец, се подава към повърхността. Освен това всичко зависи от начина на използване на петротермалната енергия - за отопление или за производство на електроенергия. Възможен е затворен цикъл с инжектиране на отпадъчна пара и вода обратно в инжекционния кладенец или друг метод за изхвърляне.

Недостатъкът на такава система е очевиден: за да се получи достатъчно висока температура на работния флуид, е необходимо да се пробиват кладенци на по-голяма дълбочина. А това са сериозни разходи и риск от значителни загуби на топлина, когато течността се движи нагоре. Следователно петротермалните системи засега са по-рядко срещани от хидротермалните системи, въпреки че потенциалът на петротермалната енергия е с порядък по-голям.

В момента Австралия е лидер в създаването на така наречените системи за петротермална циркулация (PCS). Освен това тази посока на геотермална енергия активно се развива в САЩ, Швейцария, Великобритания и Япония.

Подарък на лорд Келвин

Изобретението на термопомпата през 1852 г. от физика Уилям Томпсън (известен още като лорд Келвин) предостави на човечеството реална възможност да използва нискокачествената топлина на горните слоеве на почвата. Система за термопомпа или, както го нарича Томпсън, термичен умножител, се основава на физическия процес на прехвърляне на топлина от околната среда към хладилния агент. Всъщност той използва същия принцип като в петротермалните системи. Разликата е в топлинния източник, във връзка с който може да възникне терминологичен въпрос: колко може една термопомпа да се счита за геотермална система? Факт е, че в горните слоеве, до дълбочини от десетки до стотици метра, скалите и съдържащите се в тях течности се нагряват не от дълбоката топлина на земята, а от слънцето. По този начин, това е слънцето в този случай - основният източник на топлина, въпреки че е взета, както в геотермалните системи, от земята.

Работата на термопомпата се основава на забавянето на нагряването и охлаждането на почвата в сравнение с атмосферата, в резултат на което между повърхността и по-дълбоките слоеве се образува температурен градиент, който задържа топлината дори през зимата, подобно на това как се случва във водните тела. Основната цел на термопомпите е отоплението на помещенията. Всъщност това е „хладилник напротив“. Както термопомпата, така и хладилникът взаимодействат с три компонента: вътрешната среда (в първия случай - отопляемото помещение, във втория - хладилната камера на хладилника), външната среда - източникът на енергия и хладилният агент (хладилен агент), той също е топлоносителят, който осигурява топлопренос или студено.

Вещество с ниска точка на кипене действа като хладилен агент, което му позволява да отвежда топлина от източник, който дори има сравнително ниска температура.

В хладилника течният хладилен агент през дросела (регулатор на налягането) навлиза в изпарителя, където поради рязко намаляване на налягането течността се изпарява. Изпаряването е ендотермичен процес, който изисква абсорбиране на топлина отвън. В резултат на това топлината се отвежда от вътрешните стени на изпарителя, което осигурява охлаждащ ефект в хладилната камера. Освен това хладилният агент се всмуква в компресора от изпарителя, където той се връща в течно състояние на агрегация. Това е обратният процес, водещ до отделяне на топлина, поемана в околната среда. По правило тя се хвърля в стаята, а задната стена на хладилника е сравнително топла.

Термопомпата работи почти по същия начин, с разликата, че топлината се приема от външната среда и през изпарителя навлиза във вътрешната среда - отоплителната система на помещението.

В истинска термопомпа водата се нагрява, преминавайки през външна верига, положена в земята или езерце, след което тя влиза в изпарителя.

В изпарителя топлината се прехвърля във вътрешна верига, пълна с хладилен агент с ниска точка на кипене, която, преминавайки през изпарителя, преминава от течно в газообразно състояние, отнемайки топлина.

Освен това газообразният хладилен агент влиза в компресора, където се компресира до високо налягане и температура, и влиза в кондензатора, където топлината се обменя между горещия газ и охлаждащата течност от отоплителната система.

За да работи компресорът, е необходимо електричество, но коефициентът на трансформация (съотношение на консумирана и генерирана енергия) в съвременните системи е достатъчно висок, за да се гарантира тяхната ефективност.

В момента термопомпите се използват доста широко за отопление на помещения, главно в икономически развитите страни.

Еко-правилна енергия

Геотермалната енергия се счита за екологично чиста, което по принцип е вярно. На първо място, той използва възобновяем и почти неизчерпаем ресурс. Геотермалната енергия не изисква големи площи, за разлика от големите ВЕЦ или вятърните електроцентрали и не замърсява атмосферата, за разлика от въглеводородната енергия. Средно GeoPP заема 400 м 2 по отношение на 1 GW генерирана електроенергия. Същият показател за ТЕЦ за въглища например е 3600 м 2. Екологичните предимства на GeoPP са и ниската консумация на вода - 20 литра прясна вода на 1 kW, докато около 1000 литра са необходими за топлоцентрали и атомни електроцентрали. Обърнете внимание, че това са показатели за околната среда на „средния“ GeoES.

Но все още има отрицателни странични ефекти. Сред тях най-често се разграничават шума, термичното замърсяване на атмосферата и химическото замърсяване на водата и почвата, както и образуването на твърди отпадъци.

Основният източник на химическо замърсяване на околната среда е самата термална вода (с висока температура и минерализация), която често съдържа големи количества токсични съединения и следователно има проблем с изхвърлянето на отпадъчни води и опасни вещества.

Отрицателните ефекти на геотермалната енергия могат да бъдат проследени на няколко етапа, като се започне с пробиване на кладенец. Тук възникват същите опасности, както при пробиване на който и да е кладенец: унищожаване на земната покривка, замърсяване на почвата и подземните води.

На етапа на работа на GeoPP проблемите със замърсяването на околната среда продължават. Термичните течности - вода и пара - обикновено съдържат въглероден диоксид (CO 2), серен сулфид (H2S), амоняк (NH3), метан (CH4), натриев хлорид (NaCl), бор (В), арсен (As ), живак (Hg). При изхвърляне в околната среда те се превръщат в източници на замърсяването му. В допълнение, агресивната химическа среда може да причини корозия на структурите на GeoTES.

В същото време емисиите на замърсители в GeoPP са средно по-ниски, отколкото в ТЕЦ-овете. Например, емисиите на въглероден диоксид за киловатчас на произведена електроенергия са до 380 g при GeoPP, 1042 g в ТЕЦ на въглища, 906 g в мазута и 453 g в ТЕЦ на газ.

Възниква въпросът: какво да правя с отпадните води? С ниска соленост може да се изхвърли в повърхностните води след охлаждане. Друг начин е да се изпомпва обратно във водоносното гориво чрез инжекционен кладенец, който в момента и за предпочитане се използва.

Извличането на термална вода от водоносни хоризонти (както и изпомпването на обикновена вода) може да причини утаяване и придвижване на почвата, други деформации на геоложки слоеве и микротресения. Вероятността за подобни явления по правило е малка, въпреки че са регистрирани изолирани случаи (например в GeoPP в Staufen im Breisgau в Германия).

Трябва да се подчертае, че по-голямата част от GeoPP се намират в сравнително слабо населени територии и в страни от трети свят, където екологичните изисквания са по-малко строги, отколкото в развитите страни. Освен това в момента броят на GeoPP и техният капацитет са сравнително малки. С по-широкото развитие на геотермалната енергия рисковете за околната среда могат да се увеличават и увеличават.

Колко енергия е земята?

Инвестиционните разходи за изграждането на геотермални системи варират в много широк диапазон - от $ 200 до $ 5000 за 1 kW инсталирана мощност, тоест най-евтините варианти са сравними с разходите за изграждане на топлоелектрическа централа. Те зависят на първо място от условията на възникване на термалните води, техния състав и дизайн на системата. Пробиване на големи дълбочини, създаване на затворена система с два кладенеца, необходимостта от пречистване на водата може да умножи разходите.

Например инвестициите в създаването на петротермална циркулационна система (CCP) се оценяват на 1,6–4 хиляди долара за 1 kW инсталирана мощност, което надвишава разходите за изграждане на атомна електроцентрала и е сравнимо с разходите за изграждане на вятърни и слънчеви централи.

Очевидното икономическо предимство на GeoTES е неговият безплатен източник на енергия. За сравнение, в структурата на разходите на работеща ТЕЦ или АЕЦ горивото представлява 50–80% или дори повече, в зависимост от текущите цени на енергията. Следователно, още едно предимство на геотермалната система: експлоатационните разходи са по-стабилни и предвидими, защото не зависят от външната среда на цените на енергията. Като цяло експлоатационните разходи на GeoTES се оценяват на 2–10 цента (60 копейки - 3 рубли) за 1 кВтч производствена мощност.

Втората най-голяма (след значителни разходи за енергия) по правило е заплатата на персонала на централата, която може да варира коренно в различните страни и региони.

Средно себестойността на 1 кВтч геотермална енергия е сравнима с тази за ТЕЦ (в руски условия - около 1 руб. / 1 \u200b\u200bкВтч) и десет пъти по-висока от цената на производство на електроенергия в водноелектрическите централи (5-10 копейки / 1 кВтч. ).

Част от причината за високата цена е, че за разлика от топло и хидравличните централи, GeoTES има сравнително малък капацитет. Освен това е необходимо да се сравняват системи, разположени в един и същ регион и в подобни условия. Така например в Камчатка, според експерти, 1 кВтч геотермална електроенергия струва 2-3 пъти по-евтино от електроенергията, произведена в местни ТЕЦ.

Показателите за икономическа ефективност на геотермалната система зависят например от това дали е необходимо да се изхвърлят отпадъчните води и по какви начини да се извършва, дали е възможно комбинирано използване на ресурса. Така химичните елементи и съединенията, извлечени от термалната вода, могат да осигурят допълнителен доход. Нека си припомним примера с Лардерела: химичното производство е било основно и там използването на геотермална енергия първоначално е спомагателно.

Геотермални напред

Геотермалната енергия се развива малко по-различно от вятърната и слънчевата. В момента това зависи в много по-голяма степен от естеството на самия ресурс, който рязко варира в зависимост от региона, а най-високите концентрации са свързани с тесни зони на геотермални аномалии, обикновено свързани с области на развитие на тектонски разломи и вулканизъм.

Освен това геотермалната енергия е по-малко технологична в сравнение с вятърната и още повече със слънчевата енергия: системите на геотермалните станции са доста прости.

В общата структура на световното производство на електроенергия геотермалният компонент представлява по-малко от 1%, но в някои региони и страни делът му достига 25-30%. Поради геоложки условия значителна част от геотермалните енергийни мощности са съсредоточени в страни от трети свят, където се отличават три групи от най-голямото развитие на индустрията - островите в Югоизточна Азия, Централна Америка и Източна Африка. Първите два региона са включени в тихоокеанския "огнен пояс на Земята", третият е обвързан с източноафриканския пролом. Най-вероятно геотермалната енергия ще продължи да се развива в тези зони. По-далечна перспектива е развитието на петротермална енергия, използвайки топлината на слоевете земя, лежащи на дълбочина от няколко километра. Това е практически широко разпространен ресурс, но добивът му е скъп, следователно петротермалната енергия се развива предимно в най-икономическите и технологично мощни страни.

Като цяло, предвид широкото разпределение на геотермалните ресурси и приемливото ниво на екологична безопасност, има основание да се смята, че геотермалната енергия има добри перспективи за развитие. Особено с нарастващата заплаха от дефицит на традиционните енергийни източници и повишаването на цените за тях.

От Камчатка до Кавказ

В Русия развитието на геотермалната енергия има доста дълга история и по редица позиции сме сред световните лидери, въпреки че делът на геотермалната енергия в общия енергиен баланс на огромна държава все още е незначителен.

Два региона станаха пионери и центрове за развитие на геотермалната енергия в Русия - Камчатка и Северен Кавказ, а ако в първия случай говорим предимно за електроенергийната промишленост, то във втория - за използването на топлинна енергия на термалната вода.

В Северен Кавказ - в Краснодарския край, Чечения, Дагестан - топлината на термалните води за енергийни цели е била използвана още преди Великата отечествена война. През 1980-1990-те години развитието на геотермалната енергия в региона е в застой по очевидни причини и досега не е излязло от състояние на застой. Независимо от това, геотермалното водоснабдяване в Северен Кавказ осигурява топлина на около 500 хиляди души, а например град Лабинск в Краснодарския край с население от 60 хиляди души е напълно отопляван от геотермални води.

В Камчатка историята на геотермалната енергия е свързана преди всичко с изграждането на ГеоПП. Първата от тях, все още оперираща станции Pauzhetskaya и Paratunskaya, е построена през 1965-1967 г., докато GeoPP Paratunskaya с мощност 600 kW е първата станция в света с двоичен цикъл. Това е разработено от съветските учени С. С. Кутателадзе и А. М. Розенфелд от Института по термофизика SB RAS, които получават през 1965 г. удостоверение за авторско право за извличане на електричество от вода с температура 70 ° C. Впоследствие тази технология се превърна в прототип за повече от 400 бинарни геоелектроцентрали в света.

Капацитетът на GeoPP Pauzhetskaya, пуснат в експлоатация през 1966 г., първоначално възлиза на 5 MW и впоследствие е увеличен до 12 MW. В момента в станцията се изгражда бинарен блок, който ще увеличи мощността си с още 2,5 MW.

Развитието на геотермалната енергия в СССР и Русия беше възпрепятствано от наличието на традиционни енергийни източници - нефт, газ, въглища, но тя никога не спря. В момента най-големите съоръжения за геотермална енергия са Верхне-Мутновская геоцентрала с обща мощност 12 MW силови агрегати, въведени в експлоатация през 1999 г., и Mutnovskaya GeoPP с мощност 50 MW (2002 г.).

Mutnovskaya и Verkhne-Mutnovskaya GeoPP са уникални обекти не само за Русия, но и в световен мащаб. Станциите са разположени в подножието на вулкана Мутновски, на надморска височина от 800 метра, и работят в екстремни климатични условия, където 9-10 месеца в годината е зима. Оборудването на геопроцесорите Mutnovsky, понастоящем едни от най-модерните в света, е изцяло създадено в местните предприятия на енергетиката.

Понастоящем делът на станциите Мутновски в общата структура на потреблението на енергия в централния енергиен център Камчатка е 40%. През следващите години се планира увеличаване на капацитета.

Отделно трябва да се каже и за руските петротермични разработки. Нямаме големи DSP, но имаме модерни технологии за пробиване на голяма дълбочина (около 10 км), които също нямат аналози в света. По-нататъшното им развитие ще намали драстично разходите за създаване на петротермални системи. Разработчиците на тези технологии и проекти са Н. А. Гнатус, М. Д. Хуторской (Геологически институт на Руската академия на науките), А. С. Некрасов (Институт за икономическо прогнозиране на Руската академия на науките) и специалисти от турбинния завод в Калуга. Сега проектът на системата за петротермална циркулация в Русия е на експериментален етап.

Геотермалната енергия има перспективи в Русия, макар и сравнително отдалечена: в момента потенциалът е доста голям и позицията на традиционната енергия е силна. В същото време в редица отдалечени региони на страната използването на геотермална енергия е икономически изгодно и търсено в момента. Това са територии с висок геоенергиен потенциал (Чукотка, Камчатка, Курили - руската част на тихоокеанския „огнен пояс на Земята“, планините в Южен Сибир и Кавказ) и в същото време са отдалечени и откъснати от централизирано енергоснабдяване.

Вероятно през следващите десетилетия геотермалната енергия у нас ще се развива именно в такива региони.

Температурата на почвата се променя непрекъснато в дълбочина и време. Зависи от редица фактори, от които много е трудно да се отчетат. Последните например включват: естеството на растителността, излагането на склона към кардиналните точки, сянката, снежната покривка, естеството на самата почва, наличието на вечно замръзнали води и др. Температурата на почвата, както по големина, така и по отношение на разпространението, се запазва от година на година достатъчно стабилна и решаващото влияние тук остава върху температурата на въздуха.

Температура на почвата на различни дълбочинии през различно време на годината могат да бъдат получени чрез директни измервания в термични кладенци, които се полагат в процеса на изследване. Но този метод изисква продължителни наблюдения и значителни разходи, което не винаги е оправдано. Данните, получени от един или два кладенци, се разпространяват на големи площи и дължини, което значително изкривява реалността, така че изчислените данни за температурата на почвата в много случаи се оказват по-надеждни.

Температура на почвата вечна замръзванена всяка дълбочина (до 10 м от повърхността) и за всеки период от годината може да се определи по формулата:

tr \u003d mt °, (3.7)

където z е дълбочината, измерена от VGM, m;

tr - температура на почвата на дълбочина z, в градус.

τr - време, равно на година (8760 h);

τ е времето, отброено напред (до 1 януари) от момента на започване на есенното замръзване на почвата до момента, за който се отчита температурата, в часове;

exp x - експонент (експоненциалната функция exp е взета от таблиците);

m - коефициент в зависимост от периода на годината (за периода октомври - май m \u003d 1,5-0,05z, а за периода юни-септември m \u003d 1)

Най-ниската температура на дадена дълбочина ще бъде, когато косинусът във формула (3.7) стане -1, т.е. минималната температура на почвата за година на тази дълбочина е

tr min \u003d (1.5-0.05z) t °, (3.8)

Максималната температура на почвата на дълбочина z ще бъде, когато косинусът вземе стойност, равна на единица, т.е.

tr max \u003d t °, (3.9)

И в трите формули обемната стойност на топлоемкостта С m трябва да се изчисли за температурата на почвата t °, съгласно формулата (3.10).

C 1 m \u003d 1 / W, (3.10)

Температура на почвата в сезонен размразяващ слойможе да се определи и чрез изчисление, като се вземе предвид, че температурната промяна в този слой е доста точно приближена чрез линейна зависимост при следните температурни градиенти (таблица 3.1).

След като се изчисли съгласно една от формулите (3.8) - (3.9) температурата на почвата на нивото на VGM, т.е. поставяйки във формулите Z \u003d 0, след това с помощта на таблица 3.1 определяме температурата на почвата на дадена дълбочина в слоя на сезонно размразяване. В най-горните слоеве на почвата, на около 1 м от повърхността, естеството на температурните колебания е много сложно.

Таблица 3.1

Температурен градиент в слой от сезонно размразяване на дълбочина под 1 m от повърхността на земята

Забележка.  Знакът на градиента е показан към повърхността.

За да получите прогнозната температура на почвата в метров слой от повърхността, можете да направите следното. Изчислете температурата на дълбочина 1 m и температурата на дневната повърхност на почвата и след това, като интерполирате от тези две стойности, определете температурата на дадена дълбочина.

Температурата на почвената повърхност t p в студения сезон може да се приеме равна на температурата на въздуха. През летния период:

t p \u003d 2 + 1,15 t в, (3.11)

където t p - повърхностна температура в градуси.

t в - температура на въздуха в градуси.

Температура на почвата с несъединяващ се криолитозон изчислени по различен начин, отколкото при сливане. На практика можем да предположим, че температурата на нивото на VGM ще бъде равна на 0 ° C през цялата година. Изчислената температура на почвата за вечна замръзване на дадена дълбочина може да бъде определена чрез интерполация, като се приеме, че тя варира линейно от t ° на дълбочина от 10 m до 0 ° C на дълбочина на VGM. Температурата в стопявания слой h t може да бъде от 0,5 до 1,5 ° C.

В сезонния слой за замръзване h p, температурата на почвата може да се изчисли по същия начин, както за сезонен размразяващ слой на сливащата се зона на вечна замръзване, т.е. в слоя h p - 1 m според градиента на температурата (таблица 3.1), като се има предвид температурата на дълбочина h p, равна на 0 ° C в студения сезон и 1 ° C през лятото. В горния метров почвен слой температурата се определя чрез интерполация между температурата на дълбочина 1 m и повърхностната температура.