Zavisnost temperature zemlje u odnosu na dubinu. Toplotno stanje unutrašnjih delova zemaljske kugle. Sistemi za snabdevanje toplotom geotermalne toplotne pumpe i efikasnost njihove primene u klimatskim uslovima Rusije
„Upotreba niskog potencijala toplotnu energiju zemljište u sistemima toplotnih pumpi"
Vasiliev G.P., naučni direktor OJSC INSOLAR-INVEST, doktor tehničkih nauka, predsednik odbora direktora OJSC INSOLAR-INVEST
N.V. Shilkin, inženjer, NISF (Moskva)
Racionalno korišćenje goriva i energetskih resursa je danas jedan od globalnih svjetskih problema, čije će uspješno rješavanje, po svemu sudeći, biti od presudne važnosti ne samo za dalji razvoj svjetske zajednice, već i za očuvanje njenog staništa. Jedan od obećavajućih načina za rješavanje ovog problema je primjena novih tehnologija za uštedu energije korištenje nekonvencionalnih obnovljivih izvora energije (NRES) Iscrpljivanje rezervi tradicionalnih fosilnih goriva i ekološke posljedice njihovog sagorijevanja doveli su posljednjih decenija do značajnog porasta interesovanja za ove tehnologije u gotovo svim razvijenim zemljama svijeta.
Prednosti tehnologija opskrbe toplinom koje se koriste u odnosu na njihove tradicionalne kolege povezane su ne samo sa značajnim smanjenjem potrošnje energije u sustavima za održavanje života zgrada i objekata, već i s njihovom ekološkom prihvatljivošću, kao i novim mogućnostima na terenu. povećanje stepena autonomije sistema za održavanje života... Očigledno, u bliskoj budućnosti, upravo će ove kvalitete igrati odlučujuću ulogu u formiranju konkurentske situacije na tržištu opreme za proizvodnju topline.
Analiza mogućih područja primjene u ruskoj ekonomiji korištenja tehnologija za uštedu energije nekonvencionalnih izvora energije, pokazuje da su u Rusiji najperspektivnije područje njihove implementacije sistemi za održavanje života zgrada. Istovremeno, čini se da je vrlo efikasan pravac za uvođenje razmatranih tehnologija u praksu domaće gradnje široka upotreba sistemi za snabdevanje toplotnom pumpom (TST) koristeći tlo površinskih slojeva Zemlje kao univerzalno dostupan niskopotencijalni izvor topline.
Koristeći toplote zemlje mogu se razlikovati dvije vrste toplotne energije - visokopotencijalna i niskopotencijalna. Izvor toplotne energije visokog potencijala su hidrotermalni resursi - termalne vode zagrijane kao rezultat geoloških procesa do visoke temperature, što im omogućava da se koriste za grijanje zgrada. Međutim, korištenje visokopotencijalne topline Zemlje ograničeno je na područja s određenim geološkim parametrima. U Rusiji je to, na primjer, Kamčatka, regija kavkaskih mineralnih voda; u Evropi postoje izvori toplote visokog potencijala u Mađarskoj, Islandu i Francuskoj.
Za razliku od "direktne" upotrebe toplote visokog potencijala (hidrotermalni resursi), korišćenje niske toplote Zemlje uz pomoć toplotnih pumpi moguće je skoro svuda. Trenutno je jedno od područja upotrebe koji se najdinamičnije razvija. nekonvencionalnih obnovljivih izvora energije.
Niskogradna toplota Zemlje može se koristiti u raznim tipovima zgrada i objekata na više načina: za grijanje, snabdijevanje toplom vodom, klimatizaciju (hlađenje), grijanje staza u zimskoj sezoni, za sprječavanje zaleđivanja, grijna polja na otvorenim stadionima, itd. tehnička literatura na jeziku, sistemi označeni kao "GHP" - "geotermalne toplotne pumpe", toplotne pumpe iz zemlje.
Klimatske karakteristike zemalja srednje i sjeverne Evrope, koje su zajedno sa SAD i Kanadom glavne regije za korištenje niskopotencijalne topline Zemlje, određuju uglavnom potrebu za grijanjem; vazdušno hlađenje čak i unutra ljetni period potrebno je relativno rijetko. Stoga, za razliku od Sjedinjenih Država, toplotne pumpe u evropskim zemljama rade uglavnom u režimu grijanja. U SAD toplotne pumpečešće se koriste u sistemima zračnog grijanja u kombinaciji sa ventilacijom, što omogućava i grijanje i hlađenje vanjskog zraka. U evropskim zemljama toplotne pumpe obično se koristi u sistemima za grijanje tople vode. Ukoliko efikasnost toplotne pumpe povećava se sa smanjenjem temperaturne razlike između isparivača i kondenzatora; često se za grijanje zgrada koriste sistemi podnog grijanja u kojima rashladna tekućina cirkulira na relativno niskoj temperaturi (35-40 oC).
Većina toplotne pumpe u Evropi, dizajniran da koristi nisku toplotu Zemlje, opremljen kompresorima na električni pogon.
Tokom proteklih deset godina, broj sistema koji koriste niskogradnu toplotu Zemlje za grijanje i hlađenje zgrada kroz toplotne pumpe, značajno se povećao. Najveći broj takvih sistema se koristi u Sjedinjenim Državama. Veliki broj ovakvih sistema funkcioniše u Kanadi i zemljama centralne i severne Evrope: Austriji, Nemačkoj, Švedskoj i Švajcarskoj. Švicarska je lider u korištenju niske toplotne energije Zemlje po glavi stanovnika. U Rusiji je u proteklih deset godina, po tehnologiji i uz učešće OJSC "INSOLAR-INVEST", specijalizovanog za ovu oblast, izgrađeno svega nekoliko objekata od kojih su najzanimljiviji predstavljeni u.
U Moskvi, u mikrookrugu Nikulino-2, zapravo je prvi put izgrađen sistem toplotne pumpe za toplu vodu višespratna stambena zgrada. Ovaj projekat je 1998-2002 implementiralo Ministarstvo odbrane Ruske Federacije zajedno sa Vladom Moskve, Ministarstvom industrije i nauke Rusije, Udruženjem NP "AVOK" iu okviru "Dugoročni program uštede energije u Moskvi".
Toplota tla površinskih slojeva Zemlje, kao i toplota uklonjenog ventilacionog vazduha, koristi se kao niskopotencijalni izvor toplotne energije za isparivače toplotnih pumpi. Postrojenje za prečišćavanje tople vode nalazi se u suterenu zgrade. Uključuje sljedeće glavne elemente:
- parne kompresijske toplinske pumpe (HPU);
- Spremnici tople vode;
- sistemi za sakupljanje toplotne energije niskog kvaliteta tla i niske toplote uklonjenog ventilacionog vazduha;
- cirkulacijske pumpe, instrumentacija
Glavni element izmjenjivača topline sistema za prikupljanje niskopotencijalne topline tla su vertikalni uzemljeni koaksijalni izmjenjivači topline smješteni izvana duž perimetra zgrade. Ovi izmjenjivači topline su 8 bunara dubine od 32 do 35 m svaki, raspoređenih u blizini kuće. Budući da se način rada toplotnih pumpi koristi toplina zemlje a toplota uklonjenog vazduha je konstantna, a potrošnja tople vode promenljiva, sistem za snabdevanje toplom vodom je opremljen akumulacionim rezervoarima.
Podaci koji procjenjuju svjetski nivo korišćenja niskokvalitetne toplotne energije Zemlje pomoću toplotnih pumpi dati su u tabeli.
Tabela 1. Svjetski nivo korišćenja niskokvalitetne toplotne energije Zemlje pomoću toplotnih pumpi
Zemljište kao izvor toplotne energije niskog kvaliteta
Kao izvor toplotne energije niskog potencijala mogu se koristiti podzemne vode sa relativno niskom temperaturom ili tlo površinskih (do 400 m dubine) slojeva Zemlje.... Toplotni sadržaj zemljišne mase je generalno veći. Toplotni režim tla površinskih slojeva Zemlje nastaje pod uticajem dva glavna faktora - sunčevog zračenja koje pada na površinu i toka radiogene toplote iz unutrašnjosti Zemlje.... Sezonske i dnevne promjene intenziteta sunčevog zračenja i temperature vanjskog zraka uzrokuju fluktuacije temperature gornjih slojeva tla. Dubina prodiranja dnevnih kolebanja temperature vanjskog zraka i intenziteta upadnog sunčevog zračenja, ovisno o specifičnom zemljištu i klimatskim uvjetima, kreće se od nekoliko desetina centimetara do jednog i po metra. Dubina prodora sezonskih kolebanja temperature vanjskog zraka i intenziteta upadnog sunčevog zračenja u pravilu ne prelazi 15-20 m.
Temperaturni režim slojeva tla koji se nalaze ispod ove dubine („neutralna zona“) formira se pod utjecajem toplinske energije koja dolazi iz utrobe Zemlje i praktički ne ovisi o sezonskim, a još više dnevnim promjenama parametara spoljašnja klima (slika 1).
Rice. 1. Grafikon promjene temperature tla u zavisnosti od dubine
Sa povećanjem dubine, temperatura tla raste u skladu sa geotermalnim gradijentom (otprilike 3 stepena C na svakih 100 m). Veličina toka radiogene toplote koja dolazi iz unutrašnjosti Zemlje razlikuje se za različita područja. Za srednju Evropu ova vrijednost je 0,05–0,12 W / m2.
U toku eksploatacionog perioda, masa tla koja se nalazi u zoni toplotnog uticaja registra cevi prizemnog izmenjivača toplote sistema za prikupljanje niskopotencijalne toplote zemljišta (sistem za prikupljanje toplote), usled sezonskih promena parametara toplote vanjske klime, kao i pod utjecajem pogonskih opterećenja na sustav prikupljanja topline, u pravilu je podvrgnut ponovnom smrzavanju i odmrzavanje. U ovom slučaju, prirodno, dolazi do promjene agregacijskog stanja vlage sadržane u porama tla i općenito u tekućem iu čvrstoj i plinovitoj fazi istovremeno. Drugim riječima, masiv tla sistema sakupljanja topline, bez obzira u kakvom se stanju nalazi (smrznut ili odmrznut), je složen trofazni polidisperzni heterogeni sistem, čiji kostur čini ogromna količina čvrstih čestica raznih oblika i veličina i mogu biti i kruti i pokretni, ovisno o tome da li su čestice čvrsto povezane ili su međusobno odvojene materijom u mobilnoj fazi. Praznine između čvrstih materija mogu se ispuniti fiziološkom vlagom, gasom, parom i ledom, ili oboje. Modeliranje procesa prijenosa topline i mase koji formiraju toplinski režim takvog višekomponentnog sistema izuzetno je težak zadatak, jer zahtijeva uzimanje u obzir i matematički opis različitih mehanizama njihove implementacije: toplinske provodljivosti u pojedinačnoj čestici, prijenosa topline s jedne čestice. drugom prilikom njihovog kontakta, molekularna toplotna provodljivost u medijumu koji ispunjava praznine između čestica, konvekcija pare i vlage sadržane u pornom prostoru i mnoge druge.
Posebnu pažnju treba obratiti na uticaj vlažnosti zemljišnog masiva i migracije vlage u njegovom pornom prostoru na termičke procese koji određuju karakteristike tla kao izvora niskopotencijalne toplotne energije.
U kapilarno-poroznim sistemima, što je zemljana masa sistema za prikupljanje toplote, prisustvo vlage u pornom prostoru ima primetan uticaj na proces širenja toplote. Ispravno obračunavanje ovog uticaja danas je povezano sa značajnim poteškoćama, koje su prvenstveno povezane sa nedostatkom jasnih ideja o prirodi distribucije čvrste, tečne i gasovite faze vlage u određenoj strukturi sistema. Do sada nije razjašnjena priroda sila veze vlage s česticama skeleta, ovisnost oblika veze vlage s materijalom u različitim fazama vlage, mehanizam kretanja vlage u pornom prostoru. .
U prisustvu temperaturnog gradijenta u debljini zemljišnog masiva, molekuli pare se pomiču na mjesta sa smanjenim temperaturnim potencijalom, ali se istovremeno pod djelovanjem gravitacijskih sila javlja suprotno usmjeren tok vlage u tečnoj fazi. . Osim toga, na temperaturni režim gornjih slojeva tla utječe vlaga atmosferskih padavina, kao i podzemne vode.
Glavni faktori pod čijim se uticajem formiraju temperaturni režim masiv tla sistema za prikupljanje niskopotencijalne toplote tla prikazan je na sl. 2.
Rice. 2. Faktori pod čijim se uticajem formira temperaturni režim tla
Vrste sistema za korišćenje niskopotencijalne toplotne energije Zemlje
Spajaju se zemljomjenjivači topline oprema toplotne pumpe sa masivom tla. Osim „izvlačenja“ toplote Zemlje, izmjenjivači topline zemlje se također mogu koristiti za akumulaciju topline (ili hladnoće) u zemljinoj masi.
U opštem slučaju, mogu se razlikovati dva tipa sistema za korišćenje niskopotencijalne toplotne energije Zemlje.:
- otvoreni sistemi: podzemna voda koja se dovodi direktno u toplotne pumpe koristi se kao izvor toplotne energije niskog kvaliteta;
- zatvoreni sistemi: izmjenjivači topline su smješteni u masi tla; kada rashladna tečnost cirkuliše kroz njih sa niskom temperaturom u odnosu na tlo, toplotna energija se "uzima" od tla i prenosi na isparivač Toplinska pumpa(ili, kada se koristi nosač toplote sa povišenom temperaturom u odnosu na tlo, njegovo hlađenje).
Najveći dio otvorenih sistema su bušotine koje izvlače podzemnu vodu iz vodonosnika i vraćaju vodu natrag u iste vodonosnike. Za to su obično uređeni upareni bunari. Dijagram takvog sistema je prikazan na sl. 3.
Rice. 3. Dijagram otvorenog sistema za korišćenje niskopotencijalne toplotne energije podzemnih voda
Prednost otvorenih sistema je mogućnost dobijanja velike količine toplotne energije uz relativno niske troškove. Međutim, bunari zahtijevaju održavanje. Osim toga, upotreba ovakvih sistema nije moguća u svim oblastima. Glavni zahtjevi za tlo i podzemne vode su sljedeći:
- dovoljna vodopropusnost tla, što omogućava obnavljanje zaliha vode;
- dobro hemijski sastav nivo podzemnih voda (npr. nizak sadržaj gvožđa), izbegavajući probleme povezane sa stvaranjem naslaga na zidovima cevi i korozijom.
Otvoreni sistemi se češće koriste za grijanje ili hlađenje velikih zgrada. Najveći sistem geotermalne toplotne pumpe na svetu koristi podzemne vode kao izvor toplotne energije niskog kvaliteta. Ovaj sistem se nalazi u Louisvilleu, Kentucky, SAD. Sistem se koristi za toplotno i hladno snabdevanje hotelsko-kancelarijskog kompleksa; njegov kapacitet je oko 10 MW.
Ponekad sistemi koji koriste toplinu Zemlje uključuju sisteme za korištenje niskokvalitetne topline iz otvorenih vodnih tijela, prirodnih i umjetnih. Ovaj pristup je posebno usvojen u Sjedinjenim Državama. Sistemi koji koriste toplotu niskog stepena iz vodnih tijela klasifikovani su kao otvoreni sistemi, kao i sistemi koji koriste nisku toplotu iz podzemnih voda.
Zatvoreni sistemi se, pak, dijele na horizontalne i vertikalne.
Horizontalni izmjenjivač topline tla(u literaturi na engleskom jeziku koriste se i termini “zemlja toplotni kolektor” i “horizontalna petlja”) obično se postavlja pored kuće na maloj dubini (ali ispod nivoa smrzavanja tla zimi). Upotreba horizontalnih izmjenjivača topline za tlo ograničena je veličinom raspoložive lokacije.
U zemljama zapadne i srednje Evrope, horizontalni izmjenjivači topline tla su obično odvojene cijevi, položene relativno čvrsto i spojene u seriju ili paralelno (sl. 4a, 4b). Da bi se sačuvala površina lokacije, razvijeni su poboljšani tipovi izmjenjivača topline, na primjer, izmjenjivači topline u obliku spirale, smješteni vodoravno ili okomito (sl. 4e, 4f). Ovaj oblik izmjenjivača topline je uobičajen u Sjedinjenim Državama.
Rice. 4. Vrste horizontalnih zemljanih izmjenjivača topline
a - izmjenjivač topline od cijevi povezanih u seriju;
b - izmjenjivač topline od paralelno spojenih cijevi;
v - horizontalni kolektor položen u rov;
d - izmjenjivač topline u obliku petlje;
e - izmjenjivač topline u obliku spirale, smješten vodoravno (tzv. "slinky" kolektor;
e - izmjenjivač topline u obliku spirale, smješten okomito
Ako se sistem sa horizontalnim izmenjivačem toplote koristi samo za proizvodnju toplote, njegov normalan rad je moguć samo ako postoji dovoljan unos toplote sa površine zemlje usled sunčevog zračenja. Iz tog razloga, površina iznad izmjenjivača topline mora biti izložena sunčevoj svjetlosti.
Vertikalni izmjenjivači topline tla(u literaturi na engleskom jeziku prihvaćena je oznaka "BHE" - "izmjenjivač topline bušotine") dozvoljavaju upotrebu niskopotencijalnih toplotnu energiju masiv tla koji leži ispod "neutralne zone" (10-20 m iznad nivoa tla). Sistemi sa vertikalnim razmenjivačima toplote u zemlji ne zahtevaju velike površine i ne zavise od intenziteta sunčevog zračenja koje pada na površinu. Vertikalni izmjenjivači topline za tlo funkcionišu efikasno u gotovo svim vrstama geoloških okruženja, sa izuzetkom tla sa niskom toplotnom provodljivošću, kao što su suvi pesak ili suvi šljunak. Veoma su rasprostranjeni sistemi sa vertikalnim izmenjivačima toplote u zemlji.
Shema opskrbe grijanjem i toplom vodom jednoporodične stambene zgrade pomoću instalacije toplinske pumpe s vertikalnim izmjenjivačem topline zemlje prikazana je na Sl. 5.
Rice. 5. Šema grijanja i snabdijevanja toplom vodom jednoporodične stambene zgrade pomoću instalacije toplotne pumpe sa vertikalnim zemljom izmjenjivačem topline
Rashladna tečnost cirkuliše kroz cijevi (najčešće polietilenske ili polipropilenske) položene u vertikalne bunare dubine od 50 do 200 m. Obično se koriste dvije vrste vertikalnih tlačnih izmjenjivača topline (slika 6):
- Izmjenjivač topline u obliku slova U, koji su dvije paralelne cijevi spojene na dnu. Jedan bunar sadrži jedan ili dva (rijetko tri) para takvih cijevi. Prednost ovog aranžmana je relativno niska cijena proizvodnje. Dvostruki izmjenjivači topline u obliku slova U najrasprostranjeniji su tip vertikalnih izmjenjivača topline za tlo u Europi.
- Koaksijalni (koncentrični) izmjenjivač topline. Najjednostavniji koaksijalni izmjenjivač topline sastoji se od dvije cijevi različitih promjera. Cijev manjeg promjera nalazi se unutar druge cijevi. Koaksijalni izmjenjivači topline mogu biti složenije konfiguracije.
Rice. 6. Sekcija različite vrste vertikalni izmjenjivači topline tla
Da bi se povećala efikasnost izmjenjivača topline, prostor između zidova bušotine i cijevi ispunjen je posebnim materijalima koji provode toplinu.
Sistemi sa vertikalnim izmjenjivačima topline za tlo mogu se koristiti za grijanje i hlađenje zgrada različitih veličina. Za malu zgradu dovoljan je jedan izmjenjivač topline; za velike zgrade, možda će biti potrebno instalirati čitavu grupu bunara s vertikalnim izmjenjivačima topline. Najveći broj bunara na svijetu koristi se u sistemu grijanja i hlađenja Richard Stockton College u SAD-u u državi New Jersey. Vertikalni zemljom izmjenjivači toplote fakulteta smješteni su u 400 bunara dubine 130 m. U Evropi najveći broj bunari (154 bunara sa dubinom od 70 m) koriste se u sistemu grijanja i hlađenja centralnog ureda njemačke službe kontrole letenja (Deutsche Flug-sicherung).
Poseban slučaj vertikalnih zatvorenih sistema je upotreba građevinskih konstrukcija kao izmjenjivača topline tla, na primjer, temeljnih šipova s monolitnim cjevovodima. Presjek takve gomile sa tri konture izmjenjivača topline zemlje prikazan je na Sl. 7.
Rice. 7. Dijagram zemljanih izmjenjivača topline ugrađenih u temeljne šipove zgrade i poprečni presjek takvog šipa
Prizemni masiv (u slučaju vertikalnih zemnih izmjenjivača topline) i građevinske konstrukcije sa podzemnim izmjenjivačima topline mogu se koristiti ne samo kao izvor, već i kao prirodni akumulator toplinske energije ili "hladnoće", na primjer, sunčeve topline. radijacije.
Postoje sistemi koji se ne mogu jednoznačno klasifikovati kao otvoreni ili zatvoreni. Na primjer, jedan te isti dubok (dubine 100 do 450 m) bunar ispunjen vodom može biti i proizvodni i injekcioni. Prečnik bunara je obično 15 cm.U donjem delu bunara se postavlja pumpa preko koje se voda iz bunara dovodi do isparivača toplotne pumpe. Povratna voda se vraća na vrh vodenog stuba u istom bunaru. Postoji stalno dopunjavanje bunara podzemnim vodama, i otvoreni sistem radi kao zatvoren. Sistemi ovog tipa u literaturi na engleskom jeziku nazivaju se „sistem stajaćih stubova bunara“ (slika 8).
Rice. 8. Šema "stojećeg stubnog bunara"
Tipično, bunari ovog tipa se koriste i za snabdijevanje zgrade pitkom vodom.... Međutim, takav sistem može djelotvorno funkcionirati samo u tlima koja osiguravaju stalno dopunjavanje vodom bunara, što sprječava njegovo smrzavanje. Ako je vodonosnik previše dubok, bit će potrebna snažna pumpa za normalno funkcioniranje sistema, što zahtijeva povećanu potrošnju energije. Velika dubina bunara određuje prilično visoku cijenu takvih sistema, tako da se ne koriste za opskrbu toplinom i hlađenjem malih zgrada. U svijetu sada postoji nekoliko takvih sistema u SAD-u, Njemačkoj i Evropi.
Jedna od perspektivnih oblasti je korišćenje vode iz rudnika i tunela kao izvora toplotne energije niskog kvaliteta. Temperatura ove vode je konstantna tokom cijele godine. Voda iz rudnika i tunela je lako dostupna.
"Stabilnost" sistema za korišćenje niskogradne toplote Zemlje
Tokom rada zemaljskog izmjenjivača topline može nastati situacija kada se tokom sezone grijanja temperatura tla u blizini tlačnog izmjenjivača topline smanjuje, a u ljetnom periodu tlo nema vremena da se zagrije do početne temperature - temperaturni potencijal se smanjuje. Potrošnja energije tokom sljedeće sezone grijanja uzrokuje još veći pad temperature tla, a njen temperaturni potencijal se dodatno smanjuje. Ovo prisiljava dizajn sistema korišćenje niske toplote Zemlje razmotriti problem “održivosti” takvih sistema. Često se energetski resursi koriste vrlo intenzivno kako bi se smanjio period povrata opreme, što može dovesti do njihovog brzog iscrpljivanja. Stoga je potrebno održavati takav nivo proizvodnje energije koji bi omogućio eksploataciju izvora energije. dugo vrijeme... Ova sposobnost sistema da održe potreban nivo proizvodnje toplote dugo vremena naziva se „održivost“. Za sisteme koji koriste niske kvalitete toplote zemlje data je sljedeća definicija održivosti: „Za svaki sistem korišćenja niskogradne toplote Zemlje i za svaki način rada ovog sistema postoji određeni maksimalni nivo proizvodnje energije; Proizvodnja energije ispod ovog nivoa može se održavati dugo vremena (100–300 godina).“
Provedeno u INSOLAR-INVEST OJSC Istraživanja su pokazala da potrošnja toplotne energije iz zemljišne mase do kraja grejne sezone izaziva smanjenje temperature tla u blizini registra cevi sistema za prikupljanje toplote, što u zemljišno-klimatskim uslovima većine teritorija Rusije nema vremena da se nadoknadi u ljetnom periodu godine, a do početka sljedeće sezone grijanja tlo izlazi sa smanjenim temperaturnim potencijalom. Potrošnja toplotne energije u narednoj grejnoj sezoni izaziva dalje smanjenje temperature zemljišta, a do početka treće grejne sezone njen temperaturni potencijal se još više razlikuje od prirodnog. itd. Međutim, omotači toplotnog efekta dugotrajnog rada sistema za prikupljanje toplote na prirodni temperaturni režim zemljišta imaju izražen eksponencijalni karakter, a do pete godine rada zemljište ulazi u novi režim, blizak režimu periodični, odnosno počevši od pete godine rada, dugotrajna potrošnja toplotne energije iz sistema sakupljanja toplote masiva tla praćena je periodičnim promenama njegove temperature. Dakle, prilikom projektovanja sistemi za snabdevanje toplotnom pumpomčini se da je potrebno uzeti u obzir pad temperatura masiva tla uzrokovan dugotrajnim radom sistema za prikupljanje topline, a kao projektne parametre koristiti temperature masiva tla koje se očekuju za 5. godinu rada TST-a. .
U kombinovanim sistemima koji se koristi i za opskrbu toplinom i za hladnoću, ravnoteža topline se postavlja „automatski“: zimi (potrebna je opskrba toplinom) masiv tla se hladi, ljeti (potrebno je dovod hladnoće) - masiv tla se zagrijava. Sistemi koji koriste nisku toplotu podzemne vode stalno obnavljaju zalihe vode iz vode koja curi sa površine i vode koja dolazi iz dubljih slojeva tla. Dakle, sadržaj topline podzemne vode raste kao "odozgo" (zbog topline atmosferski vazduh), i “odozdo” (zbog topline Zemlje); količina unesene toplote "odozgo" i "odozdo" zavisi od debljine i dubine vodonosnog sloja. Zbog ovih unosa topline, temperatura podzemne vode ostaje konstantna tijekom cijele sezone i malo se mijenja tokom rada.
Situacija je drugačija u sistemima sa vertikalnim razmenjivačima toplote u zemlji. Kada se toplina ukloni, temperatura tla oko izmjenjivača topline tla opada. Na smanjenje temperature utječu i karakteristike dizajna izmjenjivača topline i način njegovog rada. Na primjer, u sistemima s visokim vrijednostima uklonjene toplinske energije (nekoliko desetina vati po metru dužine izmjenjivača topline) ili u sistemima sa podzemnim izmjenjivačem topline smještenim u tlu niske toplinske provodljivosti (na primjer, u suhom pijesku ili suhom šljunka), pad temperature će biti posebno uočljiv i može dovesti do smrzavanja zemljišne mase oko izmjenjivača topline tla.
Njemački stručnjaci izmjerili su temperaturu masiva tla, u kojem je postavljen vertikalni izmjenjivač topline tla dubine 50 m, koji se nalazi u blizini Frankfurta na Majni. Za to je izbušeno 9 bušotina iste dubine oko glavne bušotine na udaljenosti od 2,5, 5 i 10 m od. U svih deset bunara ugrađeni su senzori na svaka 2 m za mjerenje temperature – ukupno 240 senzora. Na sl. Na slici 9 prikazani su dijagrami raspodjele temperature u masi tla oko vertikalnog izmjenjivača topline tla na početku i na kraju prve grijne sezone. Na kraju sezone grijanja jasno je primjetno smanjenje temperature mase tla oko izmjenjivača topline. U izmjenjivač topline se usmjerava toplinski tok iz okolne zemljišne mase, koji djelomično kompenzira smanjenje temperature tla uzrokovano „izvlačenjem“ topline. Veličina ovog fluksa, u poređenju sa veličinom toplotnog toka iz unutrašnjosti zemlje u datom području (80–100 mW/m2), procjenjuje se na prilično visoku (nekoliko vati po kvadratnom metru).
Rice. 9. Šeme raspodjele temperature u zemljišnoj masi oko vertikalnog izmjenjivača topline tla na početku i na kraju prve grijne sezone
Budući da je relativno široka upotreba vertikalnih izmjenjivača topline počela da se dobiva prije otprilike 15-20 godina, u cijelom svijetu nedostaju eksperimentalni podaci dobijeni dugim (nekoliko desetina godina) vijekom trajanja sistema sa izmjenjivačima topline ovog tipa. . Postavlja se pitanje o stabilnosti ovih sistema, o njihovoj pouzdanosti pri dugi rokovi eksploatacije. Da li je Zemljina niskokvalitetna toplota obnovljivi izvor energije? Koji je period "obnove" za ovaj izvor?
Kada radi seoska škola u Jaroslavskoj regiji, opremljena sistem toplotne pumpe pomoću vertikalnog izmjenjivača topline zemlje, prosječne vrijednosti specifične toplinske snage bile su na nivou od 120-190 W / linearno. m dužine izmjenjivača topline.
Od 1986. godine u Švajcarskoj u blizini Ciriha se izvode studije na sistemu sa vertikalnim razmenjivačima toplote u zemlji. U masiv tla ugrađen je vertikalni zemaljski koaksijalni izmjenjivač topline dubine 105 m. Ovaj izmjenjivač topline je korišćen kao izvor toplotne energije niskog kvaliteta za sistem toplotne pumpe instaliran u jednoj porodičnoj stambenoj zgradi. Vertikalni izmjenjivač topline tla davao je vršnu snagu od približno 70 vati po metru dužine, što je stvorilo značajno toplinsko opterećenje na okolnu masu tla. Godišnja proizvodnja toplotne energije je oko 13 MWh
Na udaljenosti od 0,5 i 1 m od glavne bušotine, izbušene su dvije dodatne bušotine u koje su ugrađeni temperaturni senzori na dubini od 1, 2, 5, 10, 20, 35, 50, 65, 85 i 105 m, nakon čega su bunari ispunjeni glineno-cementnom smjesom. Temperatura je mjerena svakih trideset minuta. Osim temperature tla, evidentirani su i drugi parametri: brzina kretanja rashladne tekućine, potrošnja energije pogonom kompresora toplinske pumpe, temperatura zraka itd.
Prvi period posmatranja trajao je od 1986. do 1991. godine. Mjerenja su pokazala da se utjecaj topline vanjskog zraka i sunčevog zračenja uočava u površinskom sloju tla na dubini od 15 m. Ispod ovog nivoa toplinski režim tla se formira uglavnom zbog topline tla. unutrašnjost zemlje. Za prve 2-3 godine rada temperatura tla Temperatura oko vertikalnog izmjenjivača topline naglo je pala, međutim, pad temperature se smanjivao svake godine, a nakon nekoliko godina sistem je ušao u režim blizu konstantnog, kada je temperatura mase tla oko izmjenjivača topline postala 1–2 °C. niže od početnog.
U jesen 1996. godine, deset godina nakon početka rada sistema, mjerenja su nastavljena. Ova mjerenja su pokazala da se temperatura tla nije značajno promijenila. U narednim godinama zabilježene su male fluktuacije temperature tla u rasponu od 0,5 stepeni C, u zavisnosti od godišnjeg opterećenja grijanja. Tako je sistem dostigao kvazistacionarni režim nakon prvih nekoliko godina rada.
Na osnovu eksperimentalnih podataka izgrađeni su matematički modeli procesa koji se odvijaju u zemljišnoj masi, što je omogućilo dugoročnu prognozu promjena temperature zemljišne mase.
Matematičko modeliranje je pokazalo da će se godišnji pad temperature postupno smanjivati, a volumen mase tla oko izmjenjivača topline, podložan sniženju temperature, svake godine će se povećavati. Na kraju radnog perioda počinje proces regeneracije: temperatura tla počinje rasti. Priroda procesa regeneracije slična je prirodi procesa "izvlačenja" toplote: u prvim godinama rada dolazi do naglog porasta temperature tla, a u narednim godinama stopa porasta temperatura se smanjuje. Dužina perioda "regeneracije" zavisi od dužine perioda rada. Ova dva perioda su približno ista. U ovom slučaju, period rada zemljanog izmjenjivača topline bio je trideset godina, a period "regeneracije" je također procijenjen na trideset godina.
Dakle, sistemi grijanja i hlađenja zgrada koje koriste niskogradnu toplinu Zemlje su pouzdan izvor energije koji se može koristiti svuda. Ovaj izvor se može koristiti dovoljno dugo, a može se obnoviti na kraju perioda rada.
Književnost
1. Rybach L. Status i izgledi geotermalnih toplotnih pumpi (GHP) u Evropi i svetu; aspekti održivosti GHP. Međunarodni kurs geotermalnih toplotnih pumpi, 2002
2. Vasiljev G.P., Krundišev N.S. Energetski efikasna seoska škola u Jaroslavskoj oblasti. AVOK br. 5, 2002
3. Sanner B. Izvori toplote tla za toplotne pumpe (klasifikacija, karakteristike, prednosti). 2002
4. Rybach L. Status i izgledi geotermalnih toplotnih pumpi (GHP) u Evropi i svetu; aspekti održivosti GHP. Međunarodni kurs geotermalnih toplotnih pumpi, 2002
5. ORKUSTOFNUN Radna grupa, Island (2001): Održiva proizvodnja geotermalne energije - predložena definicija. IGA News br. 43, januar-mart 2001, 1-2
6. Rybach L., Sanner B. Sistemi toplotnih pumpi iz zemlje - evropsko iskustvo. GeoHeat- Center Bull. 21/1, 2000
7. Ušteda energije sa toplotnim pumpama za stanovanje u hladnim klimama. Maxi brošura 08. KADET, 1997
8. Atkinson Schaefer L. Analiza apsorpcione toplotne pumpe sa jednim pritiskom. Predstavljena disertacija Akademskom fakultetu. Tehnološki institut Gruzije, 2000
9. Morley T. Obrnuti toplotni motor kao sredstvo za grijanje zgrada, The Engineer 133: 1922.
10. Fearon J. Istorijat i razvoj toplotne pumpe, hlađenja i klimatizacije. 1978
11. Vasiliev G.P. Energetski efikasne zgrade sa sistemima grijanja na toplotnu pumpu. Časopis "Stambeno-komunalne usluge", br. 12, 2002
12. Smjernice za korištenje toplotnih pumpi koje koriste sekundarne izvore energije i netradicionalne obnovljive izvore energije. Moskomarhitektura. Državno jedinstveno preduzeće "NIATs", 2001
13. Energetski efikasna stambena zgrada u Moskvi. AVOK br. 4, 1999
14. Vasiliev G.P. Energetski efikasna eksperimentalna stambena zgrada u mikrookrug Nikulino-2. AVOK br. 4, 2002
Kiril Degtjarev, istraživač, Moskva Državni univerzitet njima. M.V. Lomonosov.
U našoj zemlji bogatoj ugljovodonicima, geotermalna energija je egzotičan resurs koji, s obzirom na sadašnje stanje, teško da može konkurirati naftom i gasom. Ipak, ovaj alternativni oblik energije može se koristiti gotovo svuda i prilično je efikasan.
Fotografija Igora Konstantinova.
Promjena temperature tla sa dubinom.
Porast temperature termalnih voda i njihovih domaćina suhih stijena sa dubinom.
Promjena temperature sa dubinom u različitim regijama.
Erupcija islandskog vulkana Eyjafjallajokull ilustracija je nasilnih vulkanskih procesa koji se dešavaju u aktivnim tektonskim i vulkanskim zonama sa snažnim toplotnim tokom iz unutrašnjosti Zemlje.
Instalirani kapaciteti geotermalnih elektrana po zemljama svijeta, MW.
Distribucija geotermalnih resursa na teritoriji Rusije. Zalihe geotermalne energije, prema mišljenju stručnjaka, nekoliko su puta veće od organskih fosilnih goriva. Prema Udruženju "Društvo za geotermalnu energiju".
Geotermalna energija je toplina unutrašnjosti Zemlje. Proizvodi se u dubinama i dolazi na površinu Zemlje u različitim oblicima i različitim intenzitetom.
Temperatura gornjih slojeva tla ovisi uglavnom o vanjskim (egzogenim) faktorima - sunčevoj svjetlosti i temperaturi zraka. Ljeti i tokom dana tlo se zagrijava do određene dubine, a zimi i noću se hladi nakon promjene temperature zraka i sa određenim zakašnjenjem, povećavajući se sa dubinom. Utjecaj dnevnih kolebanja temperature zraka završava se na dubinama od nekoliko do nekoliko desetina centimetara. Sezonske fluktuacije pokrivaju dublje slojeve tla - do desetina metara.
Na određenoj dubini - od desetina do stotina metara - temperatura tla se održava konstantnom, jednakom prosječnoj godišnjoj temperaturi zraka na površini Zemlje. U to se lako uvjeriti spuštanjem u dovoljno duboku pećinu.
Kada je srednja godišnja temperatura vazduha u datom području ispod nule, to se manifestuje kao permafrost (tačnije, permafrost). U istočnom Sibiru debljina, odnosno debljina smrznutog tla tokom cijele godine dostiže mjestimično 200-300 m.
Sa određene dubine (svoje za svaku tačku na karti) uticaj Sunca i atmosfere toliko slabi da endogeni (unutrašnji) faktori dolaze do izražaja i unutrašnjost zemlje se zagreva iznutra, tako da temperatura počinje da raste sa dubinom.
Zagrijavanje dubokih slojeva Zemlje uglavnom je povezano s raspadom radioaktivnih elemenata koji se tamo nalaze, iako se i drugi izvori topline nazivaju, na primjer, fizičko-hemijski, tektonski procesi u dubokim slojevima zemljine kore i plašta. Ali bez obzira na razlog, temperatura stijena i povezanih tekućih i plinovitih tvari raste s dubinom. Rudari su suočeni s ovim fenomenom - u dubokim rudnicima je uvijek vruće. Na dubini od 1 km, temperatura od trideset stepeni je normalna, a dublje temperatura je još viša.
Toplotni tok zemljine unutrašnjosti, koji dopire do površine Zemlje, je mali - u prosjeku, njegova snaga je 0,03-0,05 W / m 2,
ili oko 350 Wh/m 2 godišnje. Na pozadini toplotnog toka od Sunca i zraka koji se njime zagrijava, ovo je neprimjetna vrijednost: Sunce daje svaki kvadratni metar zemljana površina oko 4000 kWh godišnje, odnosno 10 000 puta više (naravno, to je u prosjeku, uz ogromnu varijaciju između polarnih i ekvatorijalnih širina i ovisno o drugim klimatskim i vremenskim faktorima).
Neznačajnost toplotnog toka iz dubine na površinu na većem dijelu planete povezana je s niskom toplinskom provodljivošću stijena i posebnostima geološke strukture. Ali postoje izuzeci - mjesta gdje je protok topline visok. To su, prije svega, zone tektonskih rasjeda, povećane seizmička aktivnost i vulkanizam, gde energija unutrašnjosti zemlje nalazi izlaz. Takve zone karakteriziraju termalne anomalije litosfere, ovdje toplinski tok koji dopire do površine Zemlje može biti nekoliko puta, pa čak i redova veličine, jači od "uobičajenog". Vulkanske erupcije i izvori tople vode nose ogromnu količinu topline na površinu u ovim zonama.
Upravo su ova područja najpovoljnija za razvoj geotermalne energije. Na teritoriji Rusije to su, prije svega, Kamčatka, Kurilska ostrva i Kavkaz.
Istovremeno, razvoj geotermalne energije moguć je skoro svuda, jer je povećanje temperature sa dubinom sveprisutna pojava, a zadatak je da se "izvuče" toplota iz utrobe, kao što se odatle crpe mineralne sirovine.
U prosjeku, temperatura raste sa dubinom za 2,5-3 °C na svakih 100 m. Odnos temperaturne razlike između dvije tačke koje leže na različitim dubinama i razlike u dubini između njih naziva se geotermalni gradijent.
Recipročan je geotermalni korak, odnosno interval dubine na kojem temperatura raste za 1 o C.
Što je veći gradijent i, shodno tome, što je niži korak, toplina dubina Zemlje se približava površini i ovo područje je perspektivnije za razvoj geotermalne energije.
U različitim područjima, u zavisnosti od geološke strukture i drugih regionalnih i lokalnih uslova, brzina porasta temperature sa dubinom može dramatično varirati. Na Zemljinoj skali, fluktuacije u veličini geotermalnih gradijenata i stepenica dostižu 25 puta. Na primjer, u državi Oregon (SAD), gradijent je 150 ° C na 1 km, a u Južna Afrika- 6 o S na 1 km.
Pitanje je koja je temperatura na velikim dubinama - 5, 10 km ili više? Ako se trend nastavi, temperatura na dubini od 10 km bi u prosjeku trebala biti oko 250-300 o C. To je manje-više potvrđeno direktnim zapažanjima u superdubokim bušotinama, iako je slika mnogo složenija od linearnog povećanja temperature.
Na primjer, u superdubokoj bušotini Kola izbušenoj u Baltičkom kristalnom štitu, temperatura do dubine od 3 km mijenja se brzinom od 10 o C / 1 km, a zatim geotermalni gradijent postaje 2-2,5 puta veći. Na dubini od 7 km već je zabilježena temperatura od 120 o C, na 10 km - 180 o C, a na 12 km - 220 o C.
Drugi primjer je bunar postavljen u sjevernom Kaspijskom regionu, gdje je na dubini od 500 ma zabilježena temperatura od 42 o C, na 1,5 km - 70 o C, na 2 km - 80 o C, na 3 km - 108 o C .
Pretpostavlja se da se geotermalni gradijent smanjuje počevši od dubine od 20-30 km: na dubini od 100 km pretpostavljene temperature su oko 1300-1500 o C, na dubini od 400 km - 1600 o C, u Zemljinoj jezgro (dubine preko 6000 km) - 4000-5000 o SO.
Na dubinama do 10-12 km temperatura se mjeri kroz izbušene bušotine; gdje ih nema, određuje se posrednim znakovima na isti način kao i na većim dubinama. Takvi indirektni znakovi mogu biti priroda prolaska seizmičkih valova ili temperatura lave koja izlazi.
Međutim, za potrebe geotermalne energije podaci o temperaturama na dubinama većim od 10 km još nisu od praktičnog interesa.
Na dubinama od nekoliko kilometara ima mnogo topline, ali kako je podići? Ponekad nam ovaj problem rješava sama priroda uz pomoć prirodnog nosača topline - zagrijane termalne vode koje izlaze na površinu ili leže na nama dostupnoj dubini. U nekim slučajevima, voda u dubini se zagrijava do stanja pare.
Ne postoji stroga definicija pojma "termalne vode". U pravilu se podrazumijevaju vruće podzemne vode u tekućem stanju ili u obliku pare, uključujući i one koje izlaze na površinu Zemlje s temperaturom iznad 20°C, odnosno u pravilu višom od temperature zraka.
Toplo podzemne vode, para, mješavine pare i vode je hidrotermalna energija. Shodno tome, energija zasnovana na njenoj upotrebi naziva se hidrotermalna.
Situacija je složenija s proizvodnjom topline direktno iz suhih stijena - petrotermalne energije, tim više što prilično visoke temperature, u pravilu, počinju sa dubine od nekoliko kilometara.
Na teritoriji Rusije potencijal petrotermalne energije je sto puta veći od potencijala hidrotermalne energije - 3500 i 35 triliona tona ekvivalenta goriva. To je sasvim prirodno - toplina dubina Zemlje je posvuda, a termalne vode se nalaze lokalno. Međutim, zbog očiglednih tehničkih poteškoća za proizvodnju toplotne i električne energije, trenutno se najviše koriste termalne vode.
Vode sa temperaturama od 20-30 do 100 o C pogodne su za grijanje, temperature od 150 o C i više - i za proizvodnju električne energije u geotermalnim elektranama.
Generalno, geotermalni resursi na teritoriji Rusije u tonama ekvivalentnog goriva ili bilo koje druge mjerne jedinice energije su oko 10 puta veći od rezervi fosilnih goriva.
Teoretski, samo geotermalna energija mogla bi u potpunosti zadovoljiti energetske potrebe zemlje. U praksi, trenutno, na većem dijelu njene teritorije, to nije izvodljivo iz tehničkih i ekonomskih razloga.
U svijetu se korištenje geotermalne energije najčešće povezuje s Islandom – državom koja se nalazi na sjevernom kraju Srednjoatlantskog grebena, u izuzetno aktivnoj tektonskoj i vulkanskoj zoni. Vjerovatno se svi sjećaju snažne erupcije vulkana Eyjafjallajökull 2010. godine.
Upravo zahvaljujući ovoj geološkoj specifičnosti Island ima ogromne rezerve geotermalne energije, uključujući tople izvore koji izlaze na površinu Zemlje i čak izbijaju u obliku gejzira.
Na Islandu se više od 60% sve potrošene energije trenutno uzima sa Zemlje. Uključujući geotermalne izvore, obezbjeđuje se 90% grijanja i 30% proizvodnje električne energije. Dodajmo da se ostatak električne energije u zemlji proizvodi u hidroelektranama, odnosno također koristeći obnovljivi izvor energije, zahvaljujući čemu Island izgleda kao svojevrsni globalni ekološki standard.
Pripitomljavanje geotermalne energije u 20. veku je znatno pomoglo Islandu ekonomski. Do sredine prošlog veka bila je veoma siromašna zemlja, sada je na prvom mestu u svetu po instaliranom kapacitetu i proizvodnji geotermalne energije po glavi stanovnika i u prvih deset po apsolutnoj vrednosti instalisanog kapaciteta geotermalne energije. elektrane. Međutim, njegova populacija je samo 300 tisuća ljudi, što pojednostavljuje zadatak prelaska na ekološki prihvatljive izvore energije: potrebe za tim su općenito male.
Pored Islanda, visok udio geotermalne energije u ukupnom bilansu proizvodnje električne energije osiguravaju Novi Zeland i ostrvske države jugoistočne Azije (Filipini i Indonezija), zemlje Centralne Amerike i Istočne Afrike, čija je teritorija također karakterizira visoka seizmička i vulkanska aktivnost. Za ove zemlje, s obzirom na njihov trenutni nivo razvoja i potreba, geotermalna energija daje značajan doprinos društveno-ekonomskom razvoju.
(Slijedi kraj.)
Opis:
Za razliku od "direktnog" korišćenja geotermalne toplote visokog potencijala (hidrotermalnih resursa), korišćenje tla površinskih slojeva Zemlje kao izvora niskopotencijalne toplotne energije za sisteme za snabdevanje toplotom geotermalne toplotne pumpe (GTSS) moguće je skoro svuda. Trenutno je to jedna od oblasti korišćenja netradicionalnih obnovljivih izvora energije koja se najdinamičnije razvija u svetu.
Sistemi za snabdevanje toplotom geotermalne toplotne pumpe i efikasnost njihove primene u klimatskim uslovima Rusije
G. P. Vasiljev, naučni nadzornik OJSC "INSOLAR-INVEST"
Za razliku od "direktne" upotrebe geotermalne toplote visokog potencijala (hidrotermalnih resursa), korišćenje tla površinskih slojeva Zemlje kao izvora toplotne energije niskog potencijala za sisteme za snabdevanje toplotom geotermalne toplotne pumpe (GTSS) moguće je skoro svuda. Trenutno je to jedna od oblasti korišćenja netradicionalnih obnovljivih izvora energije koja se najdinamičnije razvija u svetu.
Tlo površinskih slojeva Zemlje je zapravo akumulator toplote neograničene snage. Toplotni režim tla formira se pod uticajem dva glavna faktora – sunčevog zračenja koje pada na površinu i protoka radiogene toplote iz unutrašnjosti zemlje. Sezonske i dnevne promjene intenziteta sunčevog zračenja i temperature vanjskog zraka uzrokuju fluktuacije temperature gornjih slojeva tla. Dubina prodiranja dnevnih kolebanja temperature vanjskog zraka i intenziteta upadnog sunčevog zračenja, ovisno o specifičnom zemljištu i klimatskim uvjetima, kreće se od nekoliko desetina centimetara do jednog i po metra. Dubina prodora sezonskih kolebanja temperature vanjskog zraka i intenziteta upadnog sunčevog zračenja u pravilu ne prelazi 15-20 m.
Toplotni režim slojeva tla koji se nalaze ispod ove dubine („neutralna zona“) formira se pod utjecajem toplinske energije koja dolazi iz utrobe Zemlje i praktički ne ovisi o sezonskim, a još više dnevnim promjenama parametara spoljašnja klima (slika 1). Sa povećanjem dubine, temperatura tla se takođe povećava u skladu sa geotermalnim gradijentom (oko 3°C na svakih 100 m). Veličina toka radiogene toplote koja dolazi iz unutrašnjosti Zemlje razlikuje se za različita područja. U pravilu, ova vrijednost je 0,05-0,12 W / m 2.
Slika 1. |
U toku rada GTST-a, masa zemljišta, koja se nalazi u zoni toplotnog uticaja registra cevi zemljišnog izmenjivača toplote sistema za prikupljanje niskopotencijalne toplote zemljišta (sistem za prikupljanje toplote), usled sezonskih promena u parametara vanjske klime, kao i pod utjecajem operativnih opterećenja na sustav prikupljanja topline, u pravilu je podvrgnut ponovnom smrzavanju i odmrzavanje. U ovom slučaju, prirodno, dolazi do promjene agregacijskog stanja vlage sadržane u porama tla i općenito u tekućem iu čvrstoj i plinovitoj fazi istovremeno. Istovremeno, u kapilarno-poroznim sistemima, što je masa tla sistema za prikupljanje toplote, prisustvo vlage u pornom prostoru ima primetan uticaj na proces širenja toplote. Ispravno obračunavanje ovog uticaja danas je povezano sa značajnim poteškoćama, koje su prvenstveno povezane sa nedostatkom jasnih ideja o prirodi distribucije čvrste, tečne i gasovite faze vlage u određenoj strukturi sistema. U prisustvu temperaturnog gradijenta u debljini zemljišnog masiva, molekuli vodene pare se pomiču na mjesta sa smanjenim temperaturnim potencijalom, ali se istovremeno pod djelovanjem gravitacijskih sila javlja suprotno usmjeren tok vlage u tekućini. faza. Osim toga, na temperaturni režim gornjih slojeva tla utječe vlaga atmosferskih padavina, kao i podzemne vode.
Karakteristike termičkog režima sistema za prikupljanje toplote tla kao projektnog objekta treba da uključuju i tzv. „informativnu nesigurnost“ matematičkih modela koji opisuju takve procese, odnosno nedostatak pouzdanih informacija o uticaju na ekološki sistem (atmosfera i zemljišna masa locirane van zone toplotnog uticaja zemljišnog izmenjivača toplote sistema za prikupljanje toplote) i izuzetna složenost njihove aproksimacije. Zaista, ako se aproksimacija uticaja na spoljašnji klimatski sistem, iako složena, ipak može ostvariti uz određeni utrošak „računarskog vremena“ i korišćenje postojećih modela (na primer, „tipična klimatska godina“), tada problem uzimanja u obzir u modelu uticaja na sistem atmosferskih uticaja (rosa, magla, kiša, sneg i dr.), kao i aproksimacija toplotnog efekta na masu tla sistema sakupljanja toplote temeljnih i okolnih slojeva tla danas praktično nije rješiva i mogla bi biti predmet posebnih studija. Tako, na primjer, nedostatak poznavanja procesa formiranja filtracijskih tokova podzemnih voda, njihovog režima brzine, kao i nemogućnost dobivanja pouzdanih informacija o režimu topline i vlage slojeva tla koji se nalaze ispod zone termičkog utjecaja. izmenjivača toplote zemlje, značajno komplikuje zadatak konstruisanja ispravnog matematičkog modela toplotnog režima sistema za prikupljanje niskopotencijalne toplote tla.
Za prevazilaženje opisanih poteškoća koje nastaju pri projektovanju GTST-a, kreirana je i u praksi testirana metoda matematičkog modeliranja toplotnog režima sistema za prikupljanje toplote tla i metoda obračuna faznih prelaza vlage u pornom prostoru tla. može se preporučiti masiv sistema za prikupljanje toplote.
Suština metode je da se prilikom konstruisanja matematičkog modela razmotri razlika između dva problema: „osnovni“ problem koji opisuje termički režim tla u njegovom prirodnom stanju (bez uticaja izmjenjivača topline tla sistema za prikupljanje topline) , i problem koji se rješava, opisujući termički režim zemljišne mase sa hladnjacima (izvorima). Kao rezultat, metoda omogućava da se dobije rješenje u vezi s određenom novom funkcijom, koja je u funkciji djelovanja odvoda topline na prirodni toplinski režim tla i jednake temperaturne razlike između masiva tla u njegovom prirodnom stanju. i zemljišni masiv sa drenovima (izvorima toplote) - sa sistemom akumulacije zemljišne toplote sistema za prikupljanje toplote. Upotreba ove metode u izgradnji matematičkih modela toplotnog režima sistema za prikupljanje niskopotencijalne toplote tla omogućila je ne samo da se zaobiđu poteškoće povezane sa aproksimacijom spoljašnjih uticaja na sistem sakupljanja toplote, već i da se koriste u modelima informacije o prirodnom termičkom režimu tla, eksperimentalno dobijene od meteoroloških stanica. Ovo omogućava da se delimično uzme u obzir čitav kompleks faktora (kao što su prisustvo podzemnih voda, njihova brzina i termički režimi, struktura i lokacija slojeva tla, "toplinska" pozadina Zemlje, atmosferske padavine, fazne transformacije vlage u pornom prostoru i još mnogo toga), koji značajno utiču na formiranje toplotnog režima sistema za prikupljanje toplote i čije je zajedničko obračunavanje u strogoj formulaciji problema praktično nemoguće.
Metoda obračuna faznih prelaza vlage u pornom prostoru zemljišnog masiva u projektovanju GTST-a zasniva se na novom konceptu „ekvivalentne“ toplotne provodljivosti tla, koji se utvrđuje zamenom problema izolacije. termički režim cilindra tla smrznutog oko cijevi izmjenjivača topline tla sa „ekvivalentnim“ kvazistacionarnim problemom sa bliskim temperaturnim poljem i istim graničnim uslovima, ali sa različitom „ekvivalentnom“ toplotnom provodljivošću.
Najvažniji zadatak koji se rješava pri projektovanju sistema geotermalnog grijanja zgrada je detaljna procjena energetskih mogućnosti klime u građevinskom području i na osnovu toga izvođenje zaključka o efikasnosti i izvodljivosti korištenja jednog ili drugog kruga. dizajn GTST-a. Izračunate vrijednosti klimatskih parametara date u važećim regulatornim dokumentima ne daju pune karakteristike vanjske klime, njene varijabilnosti po mjesecima, kao iu pojedinim periodima godine – grijnoj sezoni, periodu pregrijavanja itd. Stoga se prilikom odlučivanja o temperaturnom potencijalu geotermalne topline procjenjuje mogućnost njene kombinacije sa drugim prirodnim izvorima. niske potencijalne toplote, procjenjujući njihov (izvorni) temperaturni nivo u godišnjem ciklusu, potrebno je koristiti potpunije klimatske podatke, date, na primjer, u Priručniku o klimi SSSR-a (Lenjingrad: Gidromethioizdat. Izdanje 1–34. ).
Među takvima klimatske informacije u našem slučaju, prije svega treba istaknuti:
- podatke o prosječnoj mjesečnoj temperaturi tla na različitim dubinama;
- podaci o dolasku sunčevog zračenja na različito orijentisane površine.
Table Na slikama 1–5 prikazani su podaci o prosječnim mjesečnim temperaturama tla na različitim dubinama za neke gradove Rusije. Table 1 prikazane su prosječne mjesečne temperature tla u 23 grada Ruske Federacije na dubini od 1,6 m, što se čini najracionalnijim sa stanovišta temperaturnog potencijala tla i mogućnosti mehanizacije izvođenja radova na polaganje horizontalnih izmjenjivača topline u tlo.
| Tabela 1 Prosječne temperature tla po mjesecima na dubini od 1,6 m za neke gradove Rusije |
||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
|
| tabela 2 Temperatura tla u Stavropolju (tlo - crnica) |
|||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
|
| Tabela 3 Temperature tla u Jakutsku (muljevito-pjeskovito tlo sa dodatkom humusa, ispod - pijesak) |
|||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
|
| Tabela 4 Temperature tla u Pskovu (dno, ilovasto tlo, podzemlje - glina) |
|||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
|
| Tabela 5 Temperatura tla u Vladivostoku (smeđe kamenito tlo, rasuti) |
||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
|
Podaci prikazani u tabelama o prirodnom toku temperatura tla na dubini od 3,2 m (tj. u "radnom" sloju tla za GTST sa horizontalnim rasporedom izmjenjivača topline tla) jasno ilustruju mogućnosti korištenja tla kao izvor toplote niskog potencijala. Očigledan je relativno mali interval varijacije temperature slojeva koji se nalaze na istoj dubini na teritoriji Rusije. Na primjer, minimalna temperatura tla na dubini od 3,2 m od površine u Stavropolju je 7,4 ° C, au Jakutsku - (–4,4 ° C); shodno tome, interval promjene temperature tla na datoj dubini je 11,8 stepeni. Ova činjenica omogućava da se računa na stvaranje dovoljno jedinstvene opreme toplotne pumpe pogodne za rad praktično na cijeloj teritoriji Rusije.
Kao što se vidi iz prikazanih tabela, karakteristična karakteristika prirodnog temperaturnog režima tla je zaostajanje minimalnih temperatura tla u odnosu na vrijeme dolaska minimalnih temperatura vanjskog zraka. Minimalne spoljne temperature se primećuju svuda u januaru, minimalne temperature u tlu na dubini od 1,6 m u Stavropolju se primećuju u martu, u Jakutsku - u martu, u Sočiju - u martu, u Vladivostoku - u aprilu. . Dakle, očigledno je da do trenutka kada nastupe minimalne temperature u zemlji, opterećenje na sistemu za snabdevanje toplotom toplotnom pumpom (toplotni gubitak zgrade) se smanjuje. Ovaj trenutak otvara prilično ozbiljne mogućnosti za smanjenje instaliranog kapaciteta GTST-a (ušteda kapitalnih troškova) i mora se uzeti u obzir pri projektovanju.
Za procjenu efikasnosti korištenja sistema geotermalnih toplotnih pumpi za opskrbu toplinom u klimatskim uvjetima Rusije, izvršeno je zoniranje teritorije Ruske Federacije prema efikasnosti korištenja geotermalne topline niskog potencijala za potrebe opskrbe toplinom. Zoniranje je provedeno na osnovu rezultata numeričkih eksperimenata na modeliranju režima rada GTST-a u klimatskim uvjetima različitih regija na teritoriji Ruske Federacije. Numerički eksperimenti su izvedeni na primjeru hipotetičke dvoetažne vikendice grijane površine 200 m2, opremljene geotermalnim sistemom toplinske pumpe za opskrbu toplinom. Vanjske ogradne konstrukcije predmetne kuće imaju sljedeće smanjene otpore prijenosa topline:
- vanjski zidovi - 3,2 m 2 h ° C / W;
- prozori i vrata - 0,6 m 2 h ° C / W;
- obloge i podovi - 4,2 m 2 h ° C / W.
Prilikom izvođenja numeričkih eksperimenata uzeto je u obzir sljedeće:
- sistem za prikupljanje toplote tla sa niskom gustinom potrošnje geotermalne energije;
- horizontalni sistem prikupljanja toplote od polietilenske cijevi prečnika 0,05 m i dužine 400 m;
- sistem za prikupljanje toplote tla sa velikom gustinom potrošnje geotermalne energije;
- vertikalni sistem za prikupljanje toplote iz jednog termalnog bunara prečnika 0,16 m i dužine 40 m.
Istraživanja su pokazala da potrošnja toplotne energije iz zemljišne mase do kraja grejne sezone izaziva smanjenje temperature tla u blizini registra cevi sistema za prikupljanje toplote, što u zemljišno-klimatskim uslovima većine teritorija Ruske Federacije nema vremena za kompenzaciju u ljetnom periodu godine, a do početka sljedeće sezone grijanja tlo izlazi sa smanjenim temperaturnim potencijalom. Potrošnja toplotne energije u narednoj grejnoj sezoni izaziva dalje smanjenje temperature zemljišta, a do početka treće grejne sezone njen temperaturni potencijal se još više razlikuje od prirodnog. I tako dalje, dugotrajna potrošnja toplotne energije iz masiva tla sistema za prikupljanje toplote je praćena periodičnim promenama njegove temperature. Dakle, prilikom zoniranja teritorije Ruske Federacije bilo je potrebno uzeti u obzir pad temperatura zemljišnog masiva izazvanog dugotrajnim radom sistema za prikupljanje toplote, te iskoristiti temperature tla očekivane za 5. godina rada GTST-a kao izračunati parametri temperatura masiva tla. Uzimajući u obzir ovu okolnost, prilikom zoniranja teritorije Ruske Federacije prema efikasnosti GTST aplikacije, kao kriterijum efikasnosti sistema za snabdevanje toplotnom energijom geotermalne toplotne pumpe izabran je prosečni koeficijent toplotne transformacije K p tr. 5. godina rada, što predstavlja odnos korisne toplotne energije koju generiše GTST i energije utrošene na njegov pogon, a određena za idealni termodinamički Carnotov ciklus na sledeći način:
K tr = T o / (T o - T u), (1)
gdje je T o - temperaturni potencijal topline koja se odvodi u sistem grijanja ili toplinske energije, K;
T i temperaturni potencijal izvora toplote, K.
Omjer transformacije sistema za opskrbu toplinom toplinske pumpe Ktr je omjer korisne topline koja se odvodi u sustav za opskrbu toplinom potrošača i energije utrošene na rad GTST-a, a numerički je jednak količini korisne topline dobivene na temperaturama T o i T i po jedinici energije potrošene na pogon GTST-a ... Stvarni omjer transformacije razlikuje se od idealnog opisanog formulom (1) po vrijednosti koeficijenta h, koji uzima u obzir stepen termodinamičkog savršenstva GTST-a i nepovratne gubitke energije tokom ciklusa.
Numerički eksperimenti su sprovedeni korišćenjem programa kreiranog u INSOLAR-INVEST OJSC, koji obezbeđuje određivanje optimalnih parametara sistema za prikupljanje toplote u zavisnosti od klimatskih uslova građevinskog područja, kvaliteta toplotne zaštite zgrade, karakteristika performansi. opreme toplotne pumpe, cirkulacionih pumpi, grejnih uređaja sistema grejanja, kao i njihovih načina eksploatacije. Program se zasniva na prethodno opisanoj metodi za konstruisanje matematičkih modela toplotnog režima sistema za prikupljanje niskopotencijalne toplote tla, što je omogućilo da se zaobiđu poteškoće povezane sa informativnom nesigurnošću modela i aproksimacijom spoljašnjih uticaja, usled na korištenje eksperimentalno dobijenih informacija o prirodnom termičkom režimu tla u programu, koji omogućava djelimično uzimanje u obzir čitavog kompleksa faktora (kao što su prisustvo podzemnih voda, njihova brzina i termički režimi, struktura i lokacija tla slojeva, "toplinske" pozadine Zemlje, padavina, faznih transformacija vlage u pornom prostoru i još mnogo toga) koji značajno utiču na formiranje toplotnog režima sistema sakupljanja toplote, i čije zajedničko obračunavanje u strogom formulisanje problema danas je praktično nemoguće. Kao rješenje „osnovnog“ problema koristili smo podatke iz Priručnika o klimi SSSR-a (Lenjingrad: Gidromethioizdat. Izdanje 1–34).
Program zapravo omogućava rješavanje problema višeparametarske optimizacije GTST konfiguracije za određenu građevinu i građevinsko područje. U ovom slučaju, ciljna funkcija optimizacijskog problema je minimalni godišnji troškovi energije za rad GTST-a, a kriteriji optimizacije su polumjer cijevi izmjenjivača topline zemlje, njegova (izmjenjivača) dužina i dubina.
Rezultati numeričkih eksperimenata i zoniranja teritorije Rusije u pogledu efikasnosti korišćenja geotermalne toplote niskog potencijala za snabdevanje zgrada toplotom prikazani su grafički na Sl. 2-9.
Na sl. 2 prikazane su vrijednosti i izolinije omjera transformacije sistema za opskrbu toplinom geotermalne toplinske pumpe sa horizontalnim sustavima za prikupljanje topline, a na sl. 3 - za GTST sa vertikalnim sistemima za sakupljanje toplote. Kao što se može vidjeti iz slika, maksimalne vrijednosti Kp tr 4,24 za horizontalne sisteme sakupljanja toplote i 4,14 - za vertikalne sisteme mogu se očekivati na jugu teritorije Rusije, a minimalne vrijednosti 2,87 odnosno 2,73 na sjeveru, u Uelenu. Za centralnu Rusiju, vrijednosti K ptr za horizontalne sisteme sakupljanja topline su u rasponu od 3,4-3,6, a za vertikalne sisteme u rasponu od 3,2-3,4. Privlače se dovoljno visoke vrijednosti Krrt (3,2–3,5) za regije Dalekog istoka, regije s tradicionalno teškim uvjetima snabdijevanja gorivom. Očigledno Daleki istok je regija prioritetne implementacije GTST-a.
Na sl. 4 prikazane su vrijednosti i izolinije specifične godišnje potrošnje energije za pogon "horizontalnog" GTST + PD (vršni vrh bliže), uključujući potrošnju energije za grijanje, ventilaciju i opskrba toplom vodom smanjen na 1 m 2 grijane površine, a na Sl. 5 - za GTST sa vertikalnim sistemima za sakupljanje toplote. Kao što se može vidjeti iz slika, godišnja specifična potrošnja energije za pogon horizontalnog GTST-a, svedena na 1 m2 grijane građevinske površine, varira od 28,8 kWh/(god m2) na jugu Rusije do 241 kWh/(god m2 ) u St. Jakutsku, a za vertikalni GTST, respektivno, od 28,7 kWh / / (godina m2) na jugu i do 248 kWh / / (godina m2) u Jakutsku. Ako pomnožimo vrijednost godišnje specifične potrošnje energije za pogon GTST-a prikazane na slikama za određeno područje sa vrijednošću za ovu oblast K r tr, umanjenom za 1, onda ćemo dobiti količinu energije koju uštedi GTST od 1 m 2 grijane površine godišnje. Na primjer, za Moskvu za vertikalni GTST, ova vrijednost će biti 189,2 kWh sa 1 m 2 godišnje. Za poređenje, možemo navesti vrijednosti specifične potrošnje energije utvrđene moskovskim standardima za uštedu energije MGSN 2.01–99 za niske zgrade na 130, a za višespratnice na 95 kWh / (godina m 2). Istovremeno, standardizirani troškovi energije MGSN 2.01–99 uključuju samo troškove energije za grijanje i ventilaciju, u našem slučaju troškovi energije za opskrbu toplom vodom također su uključeni u troškove energije. Činjenica je da postojeći u važećim standardima pristup procjeni troškova energije za rad zgrade izdvaja u odabrani članci troškovi energije za grijanje i ventilaciju zgrade i troškovi energije za njeno snabdijevanje toplom vodom. Istovremeno, potrošnja energije za opskrbu toplom vodom nije standardizirana. Ovaj pristup se ne čini ispravnim, jer je potrošnja energije za opskrbu toplom vodom često srazmjerna potrošnji energije za grijanje i ventilaciju.
Na sl. 6 prikazane su vrijednosti i izolinije racionalnog omjera toplinske snage vršnog zatvarača (PD) i instalirane električne snage horizontalnog GTSS-a u dijelovima jedinice, a na sl. 7 - za GTST sa vertikalnim sistemima za sakupljanje toplote. Kriterij za racionalni omjer toplinske snage vršnog zatvarača i instalirane električne snage GTST-a (bez PD) bila je minimalna godišnja potrošnja električne energije za GTST + PD pogon. Kao što se vidi iz slika, racionalni odnos kapaciteta termičkog DP i električnog GTST (bez DP) varira od 0 na jugu Rusije, do 2,88 - za horizontalni GTST i 2,92 za vertikalne sisteme u Jakutsku. U središnjoj zoni teritorije Ruske Federacije, racionalni omjer toplinske snage zatvarača i instalirane električne snage GTST + PD je u rasponu od 1,1-1,3 i za horizontalni i za vertikalni GTST. U ovom trenutku, morate se zadržati detaljnije. Činjenica je da prilikom zamjene, na primjer, električnog grijanja u centralnoj zoni Rusije, zapravo imamo priliku smanjiti kapacitet električne opreme instalirane u grijanoj zgradi za 35-40% i, shodno tome, smanjiti električnu energiju zatražio od RAO UES, koji danas „košta »oko 50 hiljada rubalja. za 1 kW električne energije instalirane u kući. Tako, na primjer, za vikendicu s procijenjenim gubitkom topline u najhladnijem petodnevnom periodu jednakim 15 kW, uštedjet ćemo 6 kW instalirane električne energije i, shodno tome, oko 300 tisuća rubalja. ili ≈ 11,5 hiljada američkih dolara. Ova brojka je praktički jednaka cijeni GTST-a takvog toplinskog kapaciteta.
Dakle, ako pravilno uzmemo u obzir sve troškove povezane s priključenjem zgrade na centralizirano napajanje, ispada da sa sadašnjim tarifama za električnu energiju i priključenjem na mreže centraliziranog napajanja u centralnoj zoni Ruske Federacije, čak i na jednokratni trošak, GTST se ispostavi da je isplativiji od električnog grijanja, a da ne spominjemo 60% uštede energije.
Na sl. 8 prikazane su vrijednosti i izolinije specifične težine toplotne energije proizvedene tokom godine vršnim bližim (PD) u ukupnoj godišnjoj potrošnji energije horizontalnog GTST + PD sistema u procentima, a na Sl. 9 - za GTST sa vertikalnim sistemima za sakupljanje toplote. Kao što se može vidjeti iz slika, specifična težina toplotne energije proizvedene tokom godine bližim vrhom (PD) u ukupnoj godišnjoj potrošnji energije horizontalnog GTST + PD sistema varira od 0% u južnoj Rusiji do 38-40% u Jakutsku i Turu, a za vertikalni GTST + PD - respektivno, od 0% na jugu i do 48,5% u Jakutsku. U centralnoj zoni Rusije, ove vrijednosti su oko 5-7% za vertikalni i horizontalni GTST. Ovo je mala potrošnja energije i s tim u vezi morate biti oprezni pri odabiru bližeg vrha. Najracionalnije sa stanovišta kako specifičnog kapitalnog ulaganja u 1 kW snage, tako i automatizacije su vršne elektrode. Upotreba kotlova na pelet zaslužuje pažnju.
U zaključku, želio bih se zadržati na vrlo važnom pitanju: problemu izbora racionalnog nivoa toplinske zaštite zgrada. Ovaj problem je danas vrlo ozbiljan zadatak, za čije je rješavanje potrebna ozbiljna numerička analiza, uzimajući u obzir kako specifičnosti našeg podneblja, tako i karakteristike korišćene inženjerske opreme, infrastrukture centralizovanih mreža, kao i ekološka situacija u gradovima, bukvalno pogoršava pred našim očima, i još mnogo toga. Očigledno je da je danas već pogrešno formulirati bilo kakve zahtjeve za ljusku zgrade bez uzimanja u obzir njenih (zgrade) odnosa sa klimom i sistemom snabdijevanja energijom, komunalnim uslugama itd. Kao rezultat toga, u vrlo bliskoj budućnosti , rešenje problema izbora racionalnog nivoa toplotne zaštite biće moguće samo na osnovu razmatranja kompleksne zgrade + sistema za snabdevanje energijom + klima + životna sredina kao jedinstvenog eko-energetskog sistema, a ovim pristupom se i konkurentske prednosti GTST-a na domaćem tržištu teško se može precijeniti.
Književnost
1. Sanner B. Izvori toplote tla za toplotne pumpe (klasifikacija, karakteristike, prednosti). Tečaj geotermalnih toplotnih pumpi, 2002.
2. Vasiliev GP Ekonomski prihvatljiv nivo toplotne zaštite zgrada. - 2002. - br. 5.
3. Vasiliev GP Toplotno i hladno snabdevanje zgrada i objekata korišćenjem niskopotencijalne toplotne energije površinskih slojeva Zemlje: Monografija. Izdavačka kuća "Granitsa". - M.: Krasnaja zvezda, 2006.
Temperatura unutar Zemlje. Određivanje temperature u Zemljinim školjkama zasniva se na različitim, često indirektnim, podacima. Najpouzdaniji podaci o temperaturi odnose se na najgornji dio zemljine kore, izložen rudnicima i bušotinama do maksimalne dubine od 12 km (Kola bunar).
Porast temperature u stepenima Celzijusa po jedinici dubine naziva se geotermalni gradijent, i dubina u metrima, tokom koje se temperatura povećava za 1 0 C - geotermalni korak. Geotermalni gradijent i, shodno tome, geotermalni stupanj variraju od mjesta do mjesta ovisno o tome geološki uslovi, endogena aktivnost u različitim regijama, kao i nehomogena toplotna provodljivost stijena. Istovremeno, prema B. Gutenbergu, granice fluktuacija se razlikuju više od 25 puta. Primjer za to su dva oštro različita gradijenta: 1) 150 o na 1 km u Oregonu (SAD), 2) 6 o na 1 km zabilježeno je u Južnoj Africi. Prema ovim geotermalnim gradijentima, geotermalni korak se također mijenja od 6,67 m u prvom slučaju na 167 m u drugom. Najčešća kolebanja u gradijentu su u rasponu od 20-50 o, a geotermalni korak -15-45 m. Prosječni geotermalni gradijent odavno se uzima na 30 o C po 1 km.
Prema V. N. Žarkovu, geotermalni gradijent u blizini površine Zemlje procjenjuje se na 20 o C na 1 km. Ako pođemo od ove dvije vrijednosti geotermalnog gradijenta i njegove nepromjenjivosti duboko u Zemlju, tada je na dubini od 100 km trebala biti temperatura od 3000 ili 2000 o C. Međutim, to je u suprotnosti sa stvarnim podaci. Upravo na tim dubinama povremeno nastaju komore magme iz kojih lava teče na površinu koja ima maksimalna temperatura 1200-1250 o. Uzimajući u obzir ovaj osebujni "termometar", brojni autori (V. A. Lyubimov, V. A. Magnitsky) smatraju da na dubini od 100 km temperatura ne može prijeći 1300-1500 o C.
Sa više visoke temperature stene plašta bi bile potpuno otopljene, što je u suprotnosti sa slobodnim prolazom poprečnih seizmičkih talasa. Dakle, prosječni geotermalni gradijent može se pratiti samo do određene relativno male dubine od površine (20-30 km), a zatim bi se trebao smanjiti. Ali čak iu ovom slučaju, na istom mjestu, promjena temperature sa dubinom je neujednačena. To se može vidjeti na primjeru promjene temperature sa dubinom duž bunara Kola, koji se nalazi unutar stabilnog kristalnog štita platforme. Prilikom polaganja ovog bunara izračunat je geotermalni gradijent od 10 o na 1 km, pa se na projektnoj dubini (15 km) očekivala temperatura od oko 150 o C. Međutim, takav gradijent je bio samo do dubine od 3 km, a zatim se počeo povećavati za 1,5 -2,0 puta. Na dubini od 7 km temperatura je bila 120 o C, na 10 km -180 o C, na 12 km -220 o C. Pretpostavlja se da će na projektovanoj dubini temperatura biti blizu 280 o C. Kaspijsko more regionu, u regionu aktivnijeg endogenog režima. U njemu se na dubini od 500 m ispostavilo da je temperatura 42,2 o C, na 1500 m - 69,9 o C, na 2000 m - 80,4 o C, na 3000 m - 108,3 o C.
Kolika je temperatura u dubljim zonama plašta i jezgra Zemlje? Dobiveni su manje-više pouzdani podaci o temperaturi baze sloja B gornjeg plašta (vidi sliku 1.6). Prema VN Žarkovu, "detaljne studije faznog dijagrama Mg 2 SiO 4 - Fe 2 SiO 4 omogućile su određivanje referentne temperature na dubini koja odgovara prvoj zoni faznog prelaza (400 km)" (tj. olivin u spinel). Temperatura ovdje, kao rezultat ovih istraživanja, iznosi oko 1600 50 o C.
Pitanje raspodjele temperatura u omotaču ispod sloja B i u jezgru Zemlje još uvijek nije riješeno, pa se stoga iznose različite ideje. Može se samo pretpostaviti da temperatura raste sa dubinom sa značajnim smanjenjem geotermalnog gradijenta i povećanjem geotermalnog koraka. Pretpostavlja se da je temperatura u Zemljinom jezgru u rasponu od 4000-5000 o C.
Prosječan hemijski sastav Zemlje. Za procjenu hemijskog sastava Zemlje koriste se podaci o meteoritima, koji su najvjerovatniji uzorci protoplanetarnog materijala od kojeg su nastale zemaljske planete i asteroidi. Do sada je mnogo palo na Zemlju različita vremena i na različitim mjestima meteorita. Prema svom sastavu postoje tri vrste meteorita: 1) željezo, sastoji se uglavnom od gvožđa nikla (90-91% Fe), sa malom količinom fosfora i kobalta; 2) gvozdeni kamen(sideroliti), koji se sastoje od željeza i silikatnih minerala; 3) kamen, ili aeroliti, koji se uglavnom sastoje od fero-magnezijskih silikata i inkluzija nikl-gvožđa.
Najrasprostranjeniji su kameni meteoriti - oko 92,7% svih nalaza, željezni kamen 1,3% i željezo 5,6%. Kameni meteoriti se dijele u dvije grupe: a) hondriti sa malim zaobljenim zrnima - hondrule (90%); b) ahondriti koji ne sadrže hondrule. Sastav kamenih meteorita je blizak ultrabazičnim magmatskim stijenama. Prema M. Bottu, oni sadrže oko 12% gvožđe-nikl faze.
Na osnovu analize sastava različitih meteorita, kao i dobijenih eksperimentalnih geohemijskih i geofizičkih podataka, jedan broj istraživača daje savremenu procenu bruto elementarnog sastava Zemlje, prikazanu u tabeli. 1.3.
Kao što se vidi iz podataka u tabeli, povećana distribucija se odnosi na četiri najvažnija elementa – O, Fe, Si, Mg, koji čine preko 91%. Grupa manje uobičajenih elemenata uključuje Ni, S, Ca, A1. Ostali elementi periodnog sistema Mendeljejeva na globalnom nivou u smislu opšte distribucije su od sekundarnog značaja. Ako uporedimo prikazane podatke sa sastavom zemljine kore, onda se jasno uočava značajna razlika koja se sastoji u naglom smanjenju O, A1, Si i značajnom porastu Fe, Mg i pojavljivanju uočljivih količina S i Ni.
Lik Zemlje naziva se geoid. O dubinskoj strukturi Zemlje sude se po uzdužnim i poprečnim seizmičkim talasima, koji, šireći se unutar Zemlje, doživljavaju prelamanje, refleksiju i slabljenje, što ukazuje na slojevitost Zemlje. Postoje tri glavna područja:
Zemljina kora;
plašt: gornji do dubine od 900 km, donji do dubine od 2900 km;
Zemljino jezgro je vanjsko do dubine od 5120 km, a unutrašnje do dubine od 6371 km.
Unutrašnja toplota Zemlje povezana je sa raspadom radioaktivnih elemenata - uranijuma, torijuma, kalijuma, rubidijuma, itd. Prosječan toplotni tok je 1,4-1,5 µcal/cm 2. s.
1. Kakav je oblik i veličina Zemlje?
2. Koje su metode za proučavanje unutrašnje strukture Zemlje?
3. Kakva je unutrašnja struktura Zemlje?
4. Koje seizmičke sekcije prvog reda se jasno razlikuju pri analizi strukture Zemlje?
5. Kojim granicama odgovaraju dijelovi Mohorovichicha i Gutenberga?
6. Kolika je prosječna gustina Zemlje i kako se mijenja na granici između plašta i jezgra?
7. Kako se mijenja protok topline u različitim zonama? Kako se razumije promjena geotermalnog gradijenta i geotermalnog koraka?
8. Koji se podaci koriste za određivanje prosječnog hemijskog sastava Zemlje?
Književnost
-
G.V. Voitkevich Osnove teorije o nastanku Zemlje. M., 1988.
-
Zharkov V.N. Unutrašnja struktura Zemlje i planeta. M., 1978.
-
Magnitsky V.A. Unutrašnja struktura i fizika Zemlje. M., 1965.
-
Eseji komparativna planetologija. M., 1981.
-
Ringwood A.E. Sastav i porijeklo Zemlje. M., 1981.