"Korišćenje nisko kvalitetne toplotne energije zemlje 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, NIISF (Moskva)

Racionalno korištenje goriva i energetskih resursa je danas jedan od globalnih svjetskih problema, čije će uspješno rješenje, po svemu sudeći, biti od presudne važnosti ne samo za daljnji razvoj svjetske zajednice, već i za očuvanje njenog staništa. Jedan od obećavajućih načina za rješavanje ovog problema je primjena novih tehnologija za uštedu energijekorištenjem nekonvencionalnih obnovljivih izvora energije (NRES) Iscrpljivanje rezervi tradicionalnih fosilnih goriva i ekološke posljedice njegovog sagorijevanja rezultirali su značajnim porastom interesa za ove tehnologije u gotovo svim razvijenim zemljama svijeta posljednjih decenija.

Prednosti tehnologija opskrbe toplotom koje se koriste u poređenju sa njihovim tradicionalnim kolegama nisu povezane samo sa značajnim smanjenjem potrošnje energije u sistemima za održavanje života zgrada i građevina, već i sa njihovom ekološkom prihvatljivošću, kao i novim mogućnostima na terenu povećanje stepena autonomije sistema za održavanje života... Očigledno je da će u bliskoj budućnosti upravo te osobine igrati odlučujuću ulogu u stvaranju konkurentske situacije na tržištu opreme za proizvodnju toplote.

Analiza mogućih područja primene u ruskoj ekonomiji korišćenja tehnologija za uštedu energije nekonvencionalni izvori energije, pokazuje da je u Rusiji najperspektivnije područje njihove primjene izgradnja sistema za održavanje života. U isto vrijeme, čini se da je vrlo efikasan pravac za uvođenje razmatranih tehnologija u praksu domaće gradnje široka upotreba sistemi za opskrbu toplotnom pumpom (TST)koristeći tlo površinskih slojeva Zemlje kao univerzalno dostupan izvor toplote sa malim potencijalom.

Korišćenje toplina zemlje mogu se razlikovati dvije vrste toplotne energije - visoko-potencijalna i nisko-potencijalna. Izvor toplotne energije visokog potencijala su hidrotermalni izvori - termalne vode zagrijane kao rezultat geoloških procesa na visoku temperaturu, što im omogućava da se koriste za grijanje zgrada. Međutim, upotreba toplote Zemlje sa visokim potencijalom ograničena je na područja sa određenim geološkim parametrima. U Rusiji je to, na primjer, Kamčatka, regija kavkaskih mineralnih voda; u Evropi postoje izvori toplote s visokim potencijalom u Mađarskoj, Islandu i Francuskoj.

Za razliku od „direktne“ upotrebe toplote visokog potencijala (hidrotermalni resursi), upotreba toplote Zemlje niskog stepena upotreba dizalica topline je moguća gotovo svugdje. Trenutno je jedno od najbrže rastućih područja upotrebe nekonvencionalni obnovljivi izvori energije.

Zemljina toplota niskog stepena mogu se koristiti u raznim vrstama zgrada i građevina na više načina: za grijanje, opskrbu toplom vodom, klimatizaciju (hlađenje), grejne staze u zimskoj sezoni, za sprečavanje poledice, grejna polja na otvorenim stadionima itd. U tehničkoj literaturi na engleskom jeziku takvi sistemi označen kao "GHP" - "geotermalne toplotne pumpe", toplotne pumpe sa zemaljskim izvorom.

Klimatske karakteristike zemalja Centralne i Sjeverne Evrope, koje su zajedno sa SAD-om i Kanadom glavne regije za korištenje toplote Zemlje sa malim potencijalom, uglavnom određuju potrebu za grijanjem; hlađenje zraka čak i ljeti je relativno rijetko. Stoga, za razliku od SAD-a, toplotne pumpe u evropskim zemljama rade uglavnom u režimu grijanja. U SAD-u toplotne pumpe češće se koriste u sistemima za vazdušno grejanje u kombinaciji sa ventilacijom, koja omogućava i zagrevanje i hlađenje spoljnog vazduha. U evropskim zemljama toplotne pumpe obično se koristi u sistemima za grijanje tople vode. Zbog efikasnost toplotne pumpe povećava se smanjenjem temperaturne razlike između isparivača i kondenzatora, često se za podno grijanje koriste sustavi podnog grijanja u kojima rashladna tekućina cirkulira na relativno niskoj temperaturi (35–40 oC).

Većina toplotne pumpe u Evropi, dizajniran da koristi niskorazrednu toplinu Zemlje, opremljen električnim pogonom kompresora.

Tokom proteklih deset godina, broj sistema koji koriste niskorazrednu toplinu Zemlje za grijanje i hlađenje zgrada toplotne pumpe, značajno se povećao. Najveći broj takvih sistema koristi se u Sjedinjenim Državama. Veliki broj takvih sistema radi u Kanadi i zemljama srednje i sjeverne Evrope: Austriji, Njemačkoj, Švedskoj i Švicarskoj. Švajcarska je lider u pogledu upotrebe niskorazredne toplotne energije Zemlje po stanovniku. U Rusiji je u proteklih deset godina, prema tehnologiji i uz učešće INSOLAR-INVEST-a, specijaliziranog za ovo područje, izgrađeno samo nekoliko objekata od kojih su najzanimljiviji predstavljeni u.

U Moskvi, u mikroskopu Nikulino-2, zapravo je izgrađen prvi put sistem tople vode toplotne pumpe višespratna stambena zgrada. Ovaj projekat je 1998. do 2002. godine sprovelo Ministarstvo odbrane Ruske Federacije, zajedno sa Vladom Moskve, Ministarstvom industrije i nauke Rusije, Udruženjem NP "AVOK" i u okviru "Dugoročni program uštede energije u Moskvi".

Kao nisko-potencijalni izvor toplotne energije za isparivače toplotnih pumpi koristi se toplota tla površinskih slojeva Zemlje, kao i toplota uklonjenog ventilacionog vazduha. Postrojenje za prečišćavanje tople vode nalazi se u podrumu zgrade. Sadrži sljedeće glavne elemente:

• jedinice toplotne pumpe za kompresiju pare (HPU);
• spremnici tople vode;
• sistemi za sakupljanje niskokvalitetne toplotne energije tla i toplote uklonjenog ventilacionog vazduha;
• cirkulacijske pumpe, instrumentacija

Glavni element izmjene topline sistema za sakupljanje toplote tla s malim potencijalom su vertikalni koaksijalni izmjenjivači toplote, koji se nalaze spolja duž oboda zgrade. Ovi izmjenjivači topline su 8 bunara dubine od 32 do 35 m, smješteni u blizini kuće. Budući da režim rada toplotnih pumpi koristi toplina zemlje a toplina uklonjenog zraka je konstantna, a potrošnja tople vode je promjenjiva, sistem za opskrbu toplom vodom opremljen je spremnicima.

Podaci koji procjenjuju globalni nivo upotrebe nisko kvalitetne toplotne energije Zemlje pomoću toplotnih pumpi dati su u tabeli.

Tabela 1. Svjetski nivo upotrebe niskorazredne toplotne energije Zemlje pomoću toplotnih pumpi

Tlo kao izvor toplotne energije niskog stepena

Kao izvor niskorazredne toplotne energije mogu se koristiti podzemne vode s relativno niskom temperaturom ili zemljani površinski (do 400 m dubine) slojevi Zemlje.... Sadržaj toplote u masi tla je uglavnom veći. Termički režim tla površinskih slojeva Zemlje formira se pod uticajem dva glavna faktora - sunčevog zračenja koje pada na površinu i protoka radiogene toplote iz unutrašnjosti zemlje... Sezonske i dnevne promjene u intenzitetu sunčevog zračenja i temperaturi vanjskog zraka uzrokuju kolebanja temperature gornjih slojeva tla. Dubina prodiranja dnevnih fluktuacija temperature vanjskog zraka i intenzitet upadajućeg sunčevog zračenja, ovisno o specifičnom tlu i klimatskim uvjetima, kreće se od nekoliko desetina centimetara do jednog i po metra. Dubina prodiranja sezonskih kolebanja temperature vanjskog zraka i intenzitet upadajućeg sunčevog zračenja ne prelazi, po pravilu, 15–20 m.

Temperaturni režim slojeva tla smještenih ispod ove dubine („neutralna zona“) formira se pod utjecajem toplotne energije koja dolazi iz utrobe Zemlje i praktično ne ovisi o sezonskim, a još više dnevnim promjenama parametara vanjske klime (slika 1).

Slika: 1. Grafikon promjene temperature tla u zavisnosti od dubine

Sa povećanjem dubine, temperatura tla raste u skladu sa geotermalnim gradijentom (približno 3 stepena C na svakih 100 m). Veličina fluksa radiogene toplote koja dolazi iz unutrašnjosti Zemlje razlikuje se za različita područja. Za Centralnu Europu ova vrijednost iznosi 0,05–0,12 W / m2.

Tokom operativnog perioda, masa tla koja se nalazi unutar zone toplotnog uticaja registra cijevi prizemnog izmjenjivača toplote sistema za sakupljanje toplote tla sa malim potencijalom (sistem za sakupljanje toplote), zbog sezonskih promjena parametara vanjske klime, kao i pod utjecajem operativnih opterećenja na sistemu za sakupljanje topline, u pravilu je izložena ponovnom smrzavanju odmrzavanje. U ovom slučaju, prirodno, dolazi do promjene agregacijskog stanja vlage sadržane u porama tla i, općenito, istovremeno u tečnoj i u čvrstoj i plinovitoj fazi. Drugim riječima, masiv tla sistema za sakupljanje toplote, bez obzira u kakvom je stanju (smrznut ili otopljen), složeni je trofazni polidisperzni heterogeni sistem čiji kostur tvori ogromna količina čvrstih čestica različitih oblika i veličina, a može biti i krut i i pokretne, ovisno o tome jesu li čestice čvrsto povezane ili su međusobno odvojene materijom u pokretnoj fazi. Praznine između čvrstih čestica mogu se popuniti mineraliziranom vlagom, plinom, parom i ledom, ili oboje. Modeliranje procesa prenosa toplote i mase koji čine toplotni režim takvog višekomponentnog sistema izuzetno je težak zadatak, jer zahtijeva uzimanje u obzir i matematički opis različitih mehanizama njihove implementacije: toplotne provodljivosti u pojedinoj čestici, prenosa toplote s jedne čestice na drugu tokom njihovog kontakta, molekularne provodljivosti toplote u mediju koji ispunjava praznine. između čestica, konvekcije pare i vlage sadržane u porama i mnogih drugih.

Posebnu pažnju treba obratiti na utjecaj vlage tla i migracije vlage u njenom pora na toplotne procese koji određuju karakteristike tla kao izvora nisko-potencijalne toplotne energije.

U kapilarno-poroznim sistemima, a to je masa tla sistema za sakupljanje toplote, prisustvo vlage u pora ima primetni efekat na proces širenja toplote. Ispravno računovodstvo ovog utjecaja danas je povezano sa značajnim poteškoćama, koje su prvenstveno povezane s nedostatkom jasnih ideja o prirodi raspodjele čvrstih, tečnih i plinovitih faza vlage u određenoj strukturi sistema. Do sada priroda sila povezivanja vlage sa česticama kostura, zavisnost oblika povezivanja vlage sa materijalom u različitim fazama vlage, mehanizam kretanja vlage u porama nisu razjašnjeni.

U prisustvu temperaturnog gradijenta u debljini masiva tla, molekule pare se sele na mjesta sa smanjenim temperaturnim potencijalom, ali istovremeno, pod djelovanjem gravitacijskih sila, u tečnoj fazi dolazi do suprotno usmjerenog protoka vlage. Pored toga, na temperaturni režim gornjih slojeva tla utječe vlaga atmosferskih padavina, kao i podzemna voda.

Glavni faktori pod uticajem kojih se formira temperaturni režim masiva tla sistema za sakupljanje toplote tla sa malim potencijalom prikazani su na Sl. 2.

Slika: 2. Čimbenici pod čijim uticajem se formira temperaturni režim tla

Vrste sistema za upotrebu niskorazredne toplotne energije Zemlje

Zemaljski izmjenjivači toplote se spajaju oprema toplotne pumpe sa masivom tla. Pored „vađenja“ Zemljine topline, izmjenjivači toplote u zemlji mogu se koristiti i za akumuliranje topline (ili hladnoće) u masi tla.

Općenito postoje dvije vrste sistema za korištenje Zemljine termičke energije sa malim potencijalom:

• otvoreni sistemi: podzemna voda koja se direktno isporučuje toplotnim pumpama koristi se kao izvor nisko kvalitetne toplotne energije;
• zatvoreni sistemi: izmjenjivači toplote nalaze se u masi tla; kada kroz njih cirkulira rashladna tečnost s niskom temperaturom u odnosu na zemlju, toplotna energija se "uzima" iz zemlje i prenosi u isparivač toplinska pumpa (ili, kada se koristi nosač toplote s povišenom temperaturom u odnosu na zemlju, njegovo hlađenje).

Glavni dio otvorenih sistema su bunari koji vam omogućavaju izvlačenje podzemne vode iz vodonosnika tla i vraćanje vode natrag u iste vodonosnike. Obično su za to uređeni upareni bunari. Dijagram takvog sistema prikazan je na sl. 3

Slika: 3. Dijagram otvorenog sistema za upotrebu toplotne energije niskog potencijala podzemne vode

Prednost otvorenih sistema je mogućnost dobijanja velike količine toplotne energije uz relativno niske troškove. Međutim, bunari zahtijevaju održavanje. Pored toga, upotreba takvih sistema nije moguća u svim oblastima. Glavni zahtjevi za tlo i podzemne vode su sljedeći:

• dovoljna vodopropusnost tla, omogućavajući obnavljanje zaliha vode;
• dobro hemijski sastav vodostaj (npr. nizak sadržaj gvožđa) kako bi se izbjegli problemi povezani sa naslagama na zidu cijevi i korozijom.

Otvoreni sistemi se češće koriste za grejanje ili hlađenje velikih zgrada. Najveći geotermalni sistem toplotnih pumpi na svijetu koristi podzemne vode kao izvor toplotne energije niskog stepena. Ovaj sistem se nalazi u SAD-u u Louisvilleu, Kentucky. Sistem se koristi za opskrbu toplinom i hladom hotelsko-uredskog kompleksa; njegov kapacitet je približno 10 MW.

Ponekad sistemi koji koriste toplotu Zemlje uključuju sisteme za korišćenje toplote niskog stepena iz otvorenih vodnih tijela, prirodnih i vještačkih. Ovaj pristup je posebno usvojen u Sjedinjenim Državama. Sistemi koji koriste niskorazrednu toplotu iz vodnih tijela klasifikuju se kao otvoreni sistemi, kao i sistemi koji koriste niskorazrednu toplotu iz podzemnih voda.

Zatvoreni sistemi su pak podijeljeni na horizontalne i vertikalne.

Horizontalni izmjenjivač toplote na zemlji(u literaturi na engleskom jeziku koriste se i izrazi „sakupljač toplote iz zemlje“ i „vodoravna petlja“) obično se nalazi u blizini kuće na maloj dubini (ali ispod nivoa smrzavanja tla zimi). Upotreba vodoravnih izmjenjivača toplote u zemlji ograničena je veličinom stranice.

U zemljama zapadne i srednje Evrope vodoravni zemaljski izmjenjivači toplote obično predstavljaju odvojene cijevi, položene relativno čvrsto i povezane u seriju ili paralelno (slike 4a, 4b). Da bi se spasilo područje lokacije, razvijeni su poboljšani tipovi izmjenjivača topline, na primjer, izmjenjivači topline u obliku spirale, smješteni vodoravno ili okomito (slika 4e, 4f). Ovaj oblik izmjenjivača toplote uobičajen je u Sjedinjenim Državama.

Slika: 4. Vrste vodoravnih izmjenjivača toplote u zemlji
a - izmjenjivač toplote napravljen od cijevi serijski povezanih;
b - izmjenjivač toplote paralelno spojenih cijevi;
c - vodoravni kolektor položen u rov;
d - izmjenjivač toplote u obliku petlje;
e - izmjenjivač topline u obliku spirale smještene vodoravno (tzv. "klizavi" kolektor;
e - izmjenjivač topline u obliku spirale smještene okomito

Ako se sistem sa vodoravnim izmjenjivačima topline koristi samo za proizvodnju topline, njegov normalan rad moguć je samo ako se dovoljno sunca unosi sa zemljine površine zbog sunčevog zračenja. Iz tog razloga površina iznad izmjenjivača toplote mora biti izložena sunčevoj svjetlosti.

Vertikalni izmjenjivači toplote (u literaturi na engleskom jeziku prihvaćena je oznaka "BHE" - "bušotinski izmjenjivač toplote") koja omogućava upotrebu nisko-potencijalne toplotne energije mase tla koja leži ispod "neutralne zone" (10-20 m iznad nivoa zemlje). Sistemi s vertikalnim izmjenjivačima toplote na zemlji ne zahtijevaju velike površine i ne ovise o intenzitetu sunčevog zračenja koje pada na površinu. Vertikalni prizemni izmjenjivači toplote djeluju efikasno u gotovo svim vrstama geoloških okruženja, izuzev tla s niskom toplotnom provodljivošću, poput suhog pijeska ili suvog šljunka. Sistemi sa vertikalnim izmjenjivačima toplote u zemlji su vrlo rašireni.

Šema grijanja i opskrbe toplom vodom jednoporodične stambene zgrade pomoću instalacije toplotne pumpe sa vertikalnim izmjenjivačem topline na zemlji prikazana je na sl. pet.

Slika: 5. Shema grijanja i opskrbe toplom vodom jednoporodične stambene zgrade pomoću instalacije toplotne pumpe sa vertikalnim izmjenjivačem topline na zemlji

Rashladna tečnost cirkulira kroz cijevi (najčešće polietilen ili polipropilen), položene u vertikalne bunare dubine od 50 do 200 m. Obično se koriste dvije vrste vertikalnih izmjenjivača toplote (slika 6):

• Izmjenjivač toplote u obliku slova U, koji su dvije paralelne cijevi povezane na dnu. Jedna bušotina sadrži jedan ili dva (rijetko tri) para takvih cijevi. Prednost ovog aranžmana je relativno nizak trošak proizvodnje. Dvostruki izmjenjivači topline u obliku slova U najčešće su korišteni tipovi vertikalnih izmjenjivača toplote u Evropi.
• Koaksijalni (koncentrični) izmjenjivač toplote. Najjednostavniji koaksijalni izmjenjivač topline sastoji se od dvije cijevi različitih promjera. Cijev manjeg promjera nalazi se unutar druge cijevi. Koaksijalni izmjenjivači toplote mogu biti složenijih konfiguracija.

Slika: 6. Odjeljak različite vrste vertikalni zemljani izmjenjivači toplote

Da bi se povećala efikasnost izmjenjivača toplote, prostor između zidova bunara i cijevi ispunjava se posebnim materijalima koji provode toplinu.

Sistemi sa vertikalnim izmjenjivačima toplote na zemlji mogu se koristiti za grijanje i hlađenje zgrada različitih veličina. Za malu zgradu dovoljan je jedan izmjenjivač toplote; za velike zgrade možda će biti potrebno instalirati cijelu skupinu 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 zemaljski izmjenjivači toplote smješteni su u 400 bušotina dubokih 130 m. U Europi se najveći broj bušotina (154 bušotine duboke 70 m) koristi u sustavu grijanja i hlađenja sjedišta Njemačke službe za zračni saobraćaj (Deutsche Flug-sicherung).

Poseban slučaj vertikalno zatvorenih sistema je upotreba građevinskih konstrukcija kao prizemnih izmjenjivača topline, na primjer, temeljnih šipova s \u200b\u200bmonolitnim cjevovodima. Presjek takve hrpe sa tri konture prizemnog izmjenjivača toplote prikazan je na sl. 7.

Slika: 7. Dijagram izmjenjivača toplote u zemlji ugrađenih u temeljne pilote zgrade i poprečni presjek takve hrpe

Zemljinski masiv (u slučaju vertikalnih izmjenjivača topline tla) i građevinske konstrukcije s izmjenjivačima topline u zemlji mogu se koristiti ne samo kao izvor, već i kao prirodni akumulator toplotne energije ili „hladnoće“, na primjer, topline sunčevog zračenja.

Postoje sistemi koji se ne mogu jednoznačno klasificirati kao otvoreni ili zatvoreni. Na primjer, jedan te isti dubok (od 100 do 450 m dubine) dobro napunjen vodom može biti i proizvodnja i ubrizgavanje. Prečnik bunara je obično 15 cm. U donji deo bunara postavlja se pumpa kroz koju se voda iz bunara dovodi u isparivače toplotne pumpe. Povratna voda vraća se na vrh vodenog stupca u istom bunaru. Stalno se puni bunar podzemnom vodom, a otvoreni sistem djeluje poput zatvorenog. Sistemi ovog tipa u engleskoj se literaturi nazivaju "sistem stojećih stubova" (slika 8).

Slika: 8. Shema "stojećeg zdenca stupa"

Obično se bunari ove vrste koriste i za opskrbu zgrade pitkom vodom.... Međutim, takav sistem može efikasno raditi samo na tlima koja osiguravaju stalan dovod vode u bunar, što sprečava njegovo smrzavanje. Ako je vodonosni sloj predubok, bit će potrebna snažna pumpa za normalan rad sustava, što zahtijeva povećanu potrošnju energije. Velika dubina bunara određuje prilično visoku cijenu takvih sistema, tako da se ne koriste za opskrbu toplotom i hlađenjem malih zgrada. Sada u svijetu postoji nekoliko takvih sistema u SAD-u, Njemačkoj i Evropi.

Jedno od obećavajućih područja je upotreba vode iz rudnika i tunela kao izvora nisko kvalitetne toplotne energije. Temperatura ove vode je konstantna tokom cijele godine. Voda iz rudnika i tunela je lako dostupna.

"Stabilnost" sistema za upotrebu toplote Zemlje niskog stepena

Tijekom rada zemaljskog izmjenjivača toplote može se pojaviti situacija kada se tijekom sezone grijanja temperatura tla u blizini zemaljskog izmjenjivača toplote smanjuje, a u ljetnom periodu tlo nema vremena da se zagrije na početnu temperaturu - njegov temperaturni potencijal se smanjuje. Potrošnja energije tokom sljedeće grejne sezone uzrokuje još veće smanjenje temperature tla, a njen temperaturni potencijal se dodatno smanjuje. To forsira dizajn sistema upotreba toplote Zemlje niskog stepena razmotriti problem „održivosti“ takvih sistema. Energetski izvori se često vrlo intenzivno koriste za smanjenje perioda povrata opreme, što može dovesti do njihovog brzog iscrpljivanja. Stoga je neophodno održavati takav nivo proizvodnje energije koji bi omogućio eksploataciju izvora energije. dugo vrijeme... Ova sposobnost sistema da dugo održavaju potreban nivo proizvodnje toplote naziva se „održivost“. Za sisteme koji koriste niskorazredne toplina zemlje data je sljedeća definicija održivosti: „Za svaki sistem korištenja toplote Zemlje niskog stupnja i za svaki način rada ovog sistema postoji određeni maksimalni nivo proizvodnje energije; proizvodnja energije ispod ovog nivoa može se održati dugo vremena (100-300 godina). "

Izvedeno u OJSC "INSOLAR-INVEST" Studije su pokazale da potrošnja toplotne energije iz mase tla do kraja grejne sezone uzrokuje smanjenje temperature tla u blizini registra cijevi sistema za sakupljanje toplote, koje u tlu klimatski uslovi veći dio teritorije Rusije nema vremena za nadoknadu u ljetnom periodu godine, a do početka sljedeće sezone grijanja tlo izlazi sa smanjenim temperaturnim potencijalom. Potrošnja toplotne energije tokom sljedeće grejne sezone uzrokuje daljnje smanjenje temperature tla, a početkom treće sezone grijanja njezin se temperaturni potencijal još više razlikuje od prirodnog. Itd. Međutim, omotači toplotnog učinka dugotrajnog rada sistema za sakupljanje toplote na prirodni temperaturni režim tla imaju izražen eksponencijalni karakter, a do pete godine rada tlo ulazi u novi režim blizak periodičnom, odnosno počev od pete godine rada, dugotrajnu potrošnju toplotne energije iz masiva tla sistem sakupljanja toplote praćen je periodičnim promenama njegove temperature. Dakle, prilikom dizajniranja sistemi za opskrbu toplotnom pumpom čini se potrebnim uzeti u obzir pad temperatura masiva tla uzrokovan dugotrajnim radom sistema za sakupljanje toplote, i kao projektne parametre koristiti temperature masiva tla koje se očekuju za 5. godinu rada TST-a.

U kombinovanim sistemimakoristi se i za opskrbu toplotom i za hladnoću, ravnoteža topline uspostavlja se „automatski“: zimi (potrebna je opskrba toplinom) masiv tla se hladi, ljeti (potrebna je opskrba hladom) - masiv tla se zagrijava. Sistemi koji koriste toplotu podzemne vode niskog stepena neprestano dopunjavaju zalihe vode iz vode koja curi sa površine i vode koja dolazi iz dubljih slojeva tla. Dakle, sadržaj toplote u podzemnoj vodi se povećava i „odozgo“ (usled toplote atmosferskog vazduha) i „odozdo“ (zbog toplote Zemlje); količina uložene topline "odozgo" i "odozdo" ovisi o debljini i dubini vodonosnog sloja. Zbog ovih unosa topline, temperatura podzemne vode ostaje konstantna tijekom cijele sezone i tijekom rada se malo mijenja.

Situacija je drugačija u sistemima sa vertikalnim izmjenjivačima toplote u zemlji. Kada se ukloni toplina, temperatura tla oko izmjenjivača toplote u zemlji se smanjuje. Na smanjenje temperature utječu i konstrukcijske značajke izmjenjivača topline i način njegovog rada. Na primjer, u sistemima s visokim vrijednostima odvođenja toplote (nekoliko desetaka vata po metru dužine izmjenjivača toplote) ili u sustavima s prizemnim izmjenjivačem topline smještenim u tlu s niskom toplotnom provodnošću (na primjer, u suvom pijesku ili suvom šljunku), smanjenje temperature će biti posebno primjetno i može dovesti do do smrzavanja mase tla oko izmjenjivača toplote tla.

Njemački stručnjaci izmjerili su temperaturu masiva tla u kojem je postavljen vertikalni izmjenjivač toplote tla dubine 50 m, smješten u blizini Frankfurta na Majni. Za to je oko glavne bušotine na udaljenosti od 2,5, 5 i 10 m izbušeno 9 bušotina iste dubine. U svih deset bunara instalirani su senzori na svaka 2 m za mjerenje temperature - ukupno 240 senzora. Na sl. 9 prikazuje dijagrame koji prikazuju raspodjelu temperature u masi tla oko vertikalnog izmjenjivača toplote tla na početku i na kraju prve sezone grijanja. Na kraju grejne sezone jasno je uočljivo smanjenje temperature mase tla oko izmjenjivača toplote. Postoji protok toplote usmeren na izmenjivač toplote iz okolne mase tla, koji delimično nadoknađuje smanjenje temperature tla izazvano „ekstrakcijom“ toplote. Veličina ovog protoka, u poređenju sa veličinom toplotnog toka iz unutrašnjosti zemlje na određenom području (80–100 mW / m2), procjenjuje se da je prilično visoka (nekoliko vata po kvadratnom metru).

Slika: 9. Sheme raspodjele temperature u masi tla oko vertikalnog izmjenjivača toplote tla na početku i na kraju prve sezone grijanja

Budući da se relativno široka upotreba vertikalnih izmjenjivača topline počela primati prije otprilike 15–20 godina, u cijelom svijetu nedostaju eksperimentalni podaci, dobiveni dugim (nekoliko desetaka godina) vijekom trajanja sistema s izmjenjivačima topline ovog tipa. Postavlja se pitanje o stabilnosti ovih sistema, o njihovoj pouzdanosti tokom dužih perioda rada. Da li je Zemljina nisko kvalitetna toplota obnovljivi izvor energije? Koji je period "obnove" za ovaj izvor?

Prilikom rada na seoskoj školi u regiji Yaroslavl, opremljen sistem toplotne pumpekorištenjem vertikalnog izmjenjivača toplote na zemlji, prosječne vrijednosti specifičnog toplotnog učinka bile su na razini 120-190 W / linearno. m dužine izmjenjivača toplote.

Od 1986. godine sistem sa vertikalnim izmjenjivačima toplote na zemlji proučava se u Švicarskoj u blizini Züricha. U masiv tla ugrađen je vertikalni izmjenjivač topline tla koaksijalnog tipa dubine 105 m. Ovaj izmjenjivač topline korišten je kao izvor nisko kvalitetne toplotne energije za sistem toplotne pumpe instaliran u obiteljskoj stambenoj zgradi. Vertikalni prizemni izmjenjivač toplote pružao je maksimalnu snagu od približno 70 vata po metru dužine, što je stvorilo značajno toplotno opterećenje na okolnu masu tla. Godišnja proizvodnja toplote je oko 13 MWh

Na udaljenosti od 0,5 i 1 m od glavne bušotine izbušena su dva dodatna bunara u koja su postavljeni temperaturni senzori na dubini od 1, 2, 5, 10, 20, 35, 50, 65, 85 i 105 m, nakon čega su bunari napunjeni mešavina gline i cementa. Temperatura se mjerila svakih trideset minuta. Pored temperature tla, zabilježeni su i drugi parametri: brzina kretanja rashladne tečnosti, potrošnja energije pogona kompresora toplotne pumpe, temperatura zraka itd.

Prvo razdoblje posmatranja trajalo 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 formira se uglavnom zbog topline unutrašnjosti zemlje. Prve 2-3 godine rada temperatura tlaTemperatura oko vertikalnog izmjenjivača topline naglo je opala, međutim, smanjenje temperature se smanjivalo svake godine, a nakon nekoliko godina sistem je ušao u režim blizu konstante, kada je temperatura mase tla oko izmjenjivača topline postala za 1-2 ° C niža od početne.

U jesen 1996, deset godina nakon što je sistem počeo s radom, mjerenja su nastavljena. Ova mjerenja su pokazala da se temperatura tla nije značajno promijenila. U narednim godinama zabilježene su blage oscilacije temperature tla u rasponu od 0,5 stepeni C, ovisno o godišnjem opterećenju grijanja. Dakle, sistem je dostigao kvazistacionarni režim nakon prvih nekoliko godina rada.

Na osnovu eksperimentalnih podataka izgrađeni su matematički modeli procesa koji se odvijaju u masivu tla, što je omogućilo dugoročnu prognozu promjene temperature u masivu tla.

Matematičko modeliranje pokazalo je da će se godišnje smanjenje temperature postupno smanjivati, a zapremina mase tla oko izmjenjivača toplote, podložna padu temperature, povećavat će se svake godine. Na kraju radnog perioda započinje proces regeneracije: temperatura tla počinje rasti. Priroda procesa regeneracije slična je prirodi procesa "ekstrakcije" toplote: u prvim godinama rada dolazi do naglog porasta temperature tla, a u narednim godinama brzina porasta temperature opada. Dužina perioda "regeneracije" ovisi o dužini radnog perioda. Ova dva perioda su približno ista. U predmetnom slučaju, period rada zemaljskog izmjenjivača toplote bio je trideset godina, a period "regeneracije" također se procjenjuje na trideset godina.

Stoga su sistemi grijanja i hlađenja za zgrade koje koriste niskorazrednu toplinu Zemlje pouzdan izvor energije koji se može koristiti svugdje. Ovaj se izvor može koristiti dovoljno dugo i može se obnoviti na kraju radnog perioda.

Književnost

1. Rybach L. Status i izgledi geotermalnih toplotnih pumpi (GHP) u Evropi i širom svijeta; aspekti održivosti GHP-a. Međunarodni kurs geotermalnih toplotnih pumpi, 2002

2. Vasiliev G.P., Krundyshev N.S. Energetski efikasna seoska škola u Jaroslavskoj regiji. AVOK br. 5, 2002

3. Sanner B. Prizemni izvori toplote za toplotne pumpe (klasifikacija, karakteristike, prednosti). 2002

4. Rybach L. Status i izgledi geotermalnih toplotnih pumpi (GHP) u Evropi i širom svijeta; aspekti održivosti GHP-a. 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 sa zemaljskim izvorom - evropsko iskustvo. GeoHeat- Centar Bull. 21/1, 2000

7. Ušteda energije pomoću toplotnih pumpi za stanovanje u hladnoj klimi. Maxi brošura 08. KADET, 1997

8. Atkinson Schaefer L. Analiza toplinske pumpe za apsorpciju jednog pritiska. Disertacija predstavljena Akademskom fakultetu. Georgia Institute of Technology, 2000

9. Morley T. Obrnuti toplotni motor kao sredstvo za grejanje zgrada, The Engineer 133: 1922

10. Fearon J. Istorija i razvoj toplotne pumpe, hlađenja i klimatizacije. 1978

11. Vasiliev G.P. Energetski efikasne zgrade sa sistemima grijanja sa toplotnom pumpom. Časopis ZhKKh, br. 12, 2002

12. Smjernice za upotrebu toplotnih pumpi koje koriste sekundarne izvore energije i netradicionalne obnovljive izvore energije. Moskomarkhitektura. 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 mikroskopu Nikulino-2. AVOK br. 4, 2002

Jedna od najboljih, najracionalnijih tehnika u izgradnji kapitalnih staklenika je podzemni termo staklenik.
Korištenje ove činjenice postojanosti temperature zemlje na dubini u uređaju staklenika daje ogromne uštede u troškovima grijanja u hladnoj sezoni, olakšava održavanje, čini mikroklimu stabilnijom..
Takav staklenik djeluje u najžešćim mrazima, omogućava vam proizvodnju povrća, uzgajanje cvijeća tijekom cijele godine.
Pravilno opremljen, zakopan staklenik omogućava uzgoj, uključujući južne usjeve koji vole toplotu. Praktično nema ograničenja. U stakleniku se agrumi, pa čak i ananas mogu osjećati sjajno.
Ali da bi sve u praksi moglo pravilno funkcionirati, imperativ je poštivati \u200b\u200bvremenski provjerene tehnologije pomoću kojih su izgrađeni podzemni staklenici. Napokon, ova ideja nije nova, čak i pod carem u Rusiji, u zakopanim staklenicima proizvodili su se plodovi ananasa, koje su poduzetni trgovci izvozili u Evropu na prodaju.
Iz nekog razloga gradnja takvih staklenika kod nas nije našla široku rasprostranjenost, u velikoj mjeri se jednostavno zaboravlja, iako je dizajn idealan upravo za našu klimu.
Vjerojatno je tu ulogu imala potreba za kopanjem duboke jame i popunjavanjem temelja. Izgradnja zakopanog staklenika prilično je skupa, ovo je daleko od staklenika prekrivenog polietilenom, ali je povratak iz staklenika mnogo veći.
Sa produbljivanjem u tlo, ukupna osvijetljenost unutrašnjosti se ne gubi, može se činiti čudnim, ali u nekim je slučajevima zasićenje svjetlom čak veće od zasićenja klasičnih staklenika.
Nemoguće je ne spomenuti snagu i pouzdanost konstrukcije, neusporedivo je jača od uobičajene, lakše podnosi orkanske udare vjetra, dobro se opire tuči i hrpe snijega neće postati prepreka.

1. Pit

Stvaranje staklenika započinje kopanjem temeljne jame. Da biste koristili toplinu zemlje za zagrijavanje unutrašnjosti, staklenik mora biti dovoljno dubok. Što je dublje, zemlja postaje toplija.
Temperatura se tokom godine gotovo ne mijenja na udaljenosti 2-2,5 metara od površine. Na dubini od 1 m temperatura tla više varira, ali zimi njegova vrijednost ostaje pozitivna, obično je u srednjoj traci temperatura 4-10 C, ovisno o sezoni.
Ugradni staklenik se gradi u jednoj sezoni. Odnosno, zimi će već moći funkcionirati i ostvarivati \u200b\u200bprihod. Izgradnja nije jeftina, ali koristeći domišljatost, kompromisne materijale, moguće je uštedjeti doslovno čitav red veličine izradom svojevrsne ekonomske verzije staklenika, počevši od jame.
Na primjer, radite bez uključivanja građevinske opreme. Iako je dio vremena koji oduzima najviše vremena - kopanje temeljne jame -, naravno, najbolje prepustiti bageru. Teško je i dugotrajno ručno ukloniti takav volumen zemlje.
Dubina jame temeljne jame mora biti najmanje dva metra. Na ovoj dubini, zemlja će početi dijeliti svoju toplinu i raditi poput svojevrsne termosice. Ako je dubina manja, tada će u principu ideja raditi, ali mnogo manje efikasno. Stoga se preporučuje da ne štedite napor i novac za produbljivanje budućeg staklenika.
Duljina podzemnih staklenika može biti bilo koja, ali bolje je održavati širinu unutar 5 metara, ako je širina veća, tada se karakteristike kvaliteta grijanja i refleksije svjetlosti pogoršavaju.
Na bočnim stranama horizonta, podzemni staklenici moraju biti orijentirani, poput običnih staklenika i staklenika, od istoka prema zapadu, odnosno tako da jedna od bočnih strana bude okrenuta prema jugu. U ovom položaju, biljke će dobiti maksimalnu količinu sunčeve energije.

2. Zidovi i krov

Duž oboda jame izlijeva se temelj ili postavljaju blokovi. Temelj služi kao osnova za zidove i okvir konstrukcije. Zidove je bolje napraviti od materijala s dobrim karakteristikama toplinske izolacije, a termoblokovi su izvrsna opcija.

Krovni okvir je često izrađen od drveta, od šipki impregniranih antiseptičkim sredstvima. Krovna konstrukcija je obično ravan zabat. U središtu konstrukcije učvršćena je grebenasta šipka, za što su centralni nosači postavljeni na podu cijelom dužinom staklenika.

Grebenasta greda i zidovi povezani su nizom rogova. Okvir se može izraditi bez visokih nosača. Zamjenjuju se malim, koji su postavljeni na poprečne grede koje povezuju suprotne strane staklenika - ovaj dizajn čini unutarnji prostor slobodnijim.

Bolje je uzeti ćelijski polikarbonat kao krovni pokrivač - popularni moderni materijal. Razmak između rogova tijekom gradnje prilagođava se širini polikarbonatnih limova. Prikladno je raditi s materijalom. Premaz se dobiva s malim brojem spojeva, jer se limovi proizvode u dužini od 12 m.

Na okvir su pričvršćeni samoreznim vijcima, bolje je odabrati ih šeširom u obliku podloške. Da biste izbjegli pucanje lima, ispod svakog samoreza morate bušiti rupu odgovarajućeg promjera bušilicom. Sa odvijačem ili uobičajenom bušilicom s Phillipsovim nastavkom, radovi zastakljivanja kreću se vrlo brzo. Kako bi se izbjegle praznine, dobro je rogove položiti na vrh unaprijed brtvom od meke gume ili drugog prikladnog materijala i tek onda uvrtati limove. Vrh krova duž grebena mora biti postavljen mekom izolacijom i pritisnut nekom vrstom ugla: plastikom, napravljenom od lima, od drugog odgovarajućeg materijala.

Za dobru toplotnu izolaciju krov se ponekad pravi dvostrukim slojem polikarbonata. Iako je prozirnost smanjena za oko 10%, to je pokriveno izvrsnim karakteristikama toplotne izolacije. Treba napomenuti da se snijeg na takvom krovu ne topi. Stoga nagib mora biti pod dovoljnim uglom, najmanje 30 stepeni, kako se snijeg ne bi nakupio na krovu. Pored toga, instaliran je električni vibrator za tresenje, koji će zaštititi krov u slučaju da se nagomila snijeg.

Dvostruka stakla se izrađuju na dva načina:

Između dva lista umetnut je poseban profil, listovi su pričvršćeni na okvir odozgo;

Prvo je donji sloj ostakljenja pričvršćen na okvir iznutra, na donju stranu rogova. Krov je pokriven drugim slojem, kao i obično, odozgo.

Nakon završetka posla, poželjno je sve spojeve zalijepiti trakom. Gotov krov izgleda vrlo impresivno: bez nepotrebnih spojeva, gladak, bez isturenih dijelova.

3. Izolacija i grijanje

Izolacija zidova vrši se na sljedeći način. Prvo trebate temeljito premazati otopinom sve spojeve i šavove zida, ovdje možete nanijeti i pjenu. Unutrašnja strana zidova prekrivena je termoizolacijskom folijom.

U hladnijim dijelovima zemlje dobro je koristiti debelu foliju koja prekriva zid dvostrukim slojem.

Temperatura u dubokom tlu staklenika je iznad smrzavanja, ali hladnija od temperature vazduha neophodne za rast biljaka. Gornji sloj zagrijavaju sunčeve zrake i zrak staklenika, ali tlo i dalje oduzima toplinu, pa se podzemni staklenici često koriste tehnologijom „toplih podova“: grijaći element - električni kabel - zaštićen je metalnom rešetkom ili preliven betonom.

U drugom slučaju, tlo za gredice prelijeva se betonom ili se povrće uzgaja u saksijama i saksijama.

Upotreba podnog grijanja može biti dovoljna za grijanje cijelog staklenika, ako ima dovoljno energije. Ali biljkama je učinkovitije i ugodnije koristiti kombinirano grijanje: topli pod + grijanje na zrak. Za dobar rast potrebna im je temperatura zraka od 25-35 stepeni pri temperaturi zemlje od oko 25 C.

ZAKLJUČAK

Naravno, izgradnja udubljenog staklenika bit će skuplja i lakša od gradnje sličnog staklenika s konvencionalnim dizajnom. No, sredstva uložena u staklenik-termos s vremenom su opravdana.

Prvo, štedi energiju za grijanje. Bez obzira kako se obični prizemni plastenik grije zimi, uvijek će biti skuplji i teži od sličnog načina grijanja u podzemnom stakleniku. Drugo, uštede u rasvjeti. Folijska izolacija zidova, reflektujući svjetlost, udvostručuje osvjetljenje. Mikroklima u dubokom stakleniku zimi biće povoljnija za biljke, što će sigurno uticati na prinos. Sadnice će se lako ukorijeniti, osjetljive biljke će se osjećati sjajno. Takav staklenik garantuje stabilan, visok prinos bilo koje biljke tokom cijele godine.

Promjena temperature s dubinom. Zemljina površina se zbog neravnomjerne opskrbe sunčevom toplinom ponekad zagrijava, a zatim hladi. Ova kolebanja temperature prodiru u Zemlju vrlo plitko. Dakle, dnevne fluktuacije na dubini od 1 mobično se gotovo više ne osjeća. Što se tiče godišnjih fluktuacija, one prodiru u različite dubine: u toplim zemljama za 10-15 m,a u zemljama sa hladnim zimama i vrućim ljetima do 25-30, pa čak i 40 m.Dublje od 30-40 mveć svuda na Zemlji temperatura se održava konstantnom. Na primjer, termometar instaliran u podrumu Pariške zvjezdarnice pokazivao je 11 °, 85 ° C cijelo vrijeme više od 100 godina.

Sloj s konstantnom temperaturom uočava se širom svijeta i naziva se pojas konstantne ili neutralne temperature. Dubina ovog pojasa je, ovisno o klimatskim uvjetima, različita, a temperatura je približno jednaka prosječnoj godišnjoj temperaturi ovog mjesta.

Kako se ide dublje u Zemlju ispod sloja konstantne temperature, obično se primećuje postepeni porast temperature. To su prvi primijetili radnici u dubokim rudnicima. To je uočeno prilikom polaganja tunela. Na primjer, pri polaganju tunela Simplon (u Alpama) temperatura se popela na 60 °, što je stvaralo znatne poteškoće u radu. Još su veće temperature zabilježene u dubokim bušotinama. Primjer je Chukhovskaya bunar (Gornja Šleska), u kojem je na dubini od 2220 mtemperatura je bila preko 80 ° (83 °, 1) itd. Na osnovu vrlo mnogo zapažanja izvršenih na raznim mjestima na Zemlji, bilo je moguće ustanoviti da se u prosjeku produbljivanje za svaka 33 mtemperatura poraste za 1 ° C.

Pozvan je broj metara koji trebate ući dublje u Zemlju da bi se temperatura povećala za 1 ° C geotermalni korak.Geotermalni stupanj nije isti u različitim slučajevima i najčešće se kreće od 30 do 35 m.U nekim slučajevima te fluktuacije mogu biti i veće. Na primjer, u Michiganu (SAD), u jednom od izvora koji se nalaze u blizini jezera. Michigan, geotermalni korak ispostavilo se da nije 33, ali 70 m.Naprotiv, u jednom od bunara u Meksiku, tamo na dubini od 670, primijećen je vrlo mali geotermalni korak m pojavila se voda temperature 70 °. Prema tome, ispostavilo se da je geotermalna faza bila samo oko 12 m.Mali geotermalni koraci primjećuju se i u vulkanskim regijama, gdje na malim dubinama mogu biti još neohlađeni slojevi magmatskih stijena. Ali svi takvi slučajevi nisu toliko pravila koliko izuzeci.

Mnogo je razloga za geotermalnu fazu. (Pored gore navedenog, možete ukazati na različitu toplotnu provodljivost stijena, prirodu podloge itd.)

Reljef terena je od velike važnosti za raspodjelu temperature. Potonje se jasno mogu vidjeti na priloženom crtežu (slika 23), koji prikazuje dio Alpa duž linije tunela Simplon, s geoizotermama ucrtanim tačkastom linijom (tj. Linijama jednakih temperatura unutar Zemlje). Čini se da geoizoterme ovdje ponavljaju reljef, ali s dubinom utjecaj reljefa postepeno opada. (Snažno savijanje geoizoterma na dolje u Balleu posljedica je snažne cirkulacije vode koja je ovdje primijećena.)

Temperatura Zemlje na velikim dubinama. Promatranja temperatura u bušotinama, čija dubina rijetko prelazi 2-3 km,prirodno, oni ne mogu dati predstavu o temperaturama dubljih slojeva Zemlje. Ali tu nam u pomoć dolaze neki fenomeni iz života zemljine kore. Vulkanizam je jedan od ovih fenomena. Vulkani, rašireni na zemljinoj površini, na zemlju nose rastopljene lave čija je temperatura preko 1000 °. Zbog toga na velikim dubinama imamo temperature veće od 1000 °.

Bilo je vrijeme kada su znanstvenici, na osnovu geotermalnog koraka, pokušali izračunati dubinu na kojoj bi mogle biti temperature od 1000-2000 °. Međutim, takvi se proračuni ne mogu smatrati dovoljno opravdanima. Promatranja provedena nad temperaturom bazaltne kugle koja se hlade i teoretski proračuni daju osnovu da se kaže da se veličina geotermalnog koraka povećava s dubinom. Ali u kojoj mjeri i do koje dubine se ovo povećanje odvija, također još ne možemo reći.

Ako pretpostavimo da se temperatura kontinuirano povećava s dubinom, onda bi je u središtu Zemlje trebalo mjeriti u desetinama hiljada stepeni. Na takvim temperaturama sve nama poznate stijene trebale bi se pretvoriti u tečno stanje. Istina, unutar Zemlje postoji ogroman pritisak i mi ne znamo ništa o stanju tijela pod takvim pritiscima. Ipak, nemamo podataka koji bi tvrdili da se temperatura kontinuirano povećava s dubinom. Sada većina geofizičara dolazi do zaključka da temperatura unutar Zemlje teško može biti viša od 2000 °.

Izvori toplote. Što se tiče izvora toplote koji određuju unutrašnju temperaturu Zemlje, oni mogu biti različiti. Na osnovu hipoteza koje Zemlju smatraju formiranom od vruće i rastaljene mase, unutarnjom toplinom se mora smatrati zaostala toplina tijela koja se hladi s površine. Međutim, postoji razlog za vjerovanje da je razlog unutarnje visoke temperature Zemlje možda radioaktivni raspad uranijuma, torija, aktouranijuma, kalijuma i drugih elemenata sadržanih u stijenama. Radioaktivni elementi uglavnom su česti u kiselim stijenama Zemljine ovojnice, a manje ih je u dubokim osnovnim stijenama. Istodobno, osnovne stijene su njima bogatije od željeznih meteorita, koji se smatraju fragmentima unutrašnjih dijelova kosmičkih tijela.

Uprkos maloj količini radioaktivnih supstanci u stijenama i njihovom sporom raspadanju, ukupna količina toplote koja nastaje radioaktivnim raspadom je velika. Sovjetski geolog V. G. Khlopinizračunao da su radioaktivni elementi sadržani u gornjoj 90-kilometarskoj ljusci Zemlje dovoljni da pokriju gubitak toplote planete zračenjem. Zajedno s radioaktivnim raspadanjem, toplotna energija se oslobađa tokom kompresije Zemljine supstance, tokom hemijskih reakcija itd.

- Izvor-

Polovinkin, A.A. Osnovi opšte geografije / A.A. Polovinkin - M.: Državna prosvetna i pedagoška izdavačka kuća Ministarstva prosvete RSFSR-a, 1958. - 482 str.

Pregledi objave: 179

U našoj zemlji, bogatoj ugljikovodicima, geotermalna energija je egzotičan resurs koji, s obzirom na trenutno stanje stvari, nije vjerojatno da će se nadmetati s naftom i plinom. Ipak, ovaj alternativni oblik energije može se koristiti gotovo svugdje i prilično je učinkovit.

Geotermalna energija je toplina unutrašnjosti zemlje. Proizvodi se u dubinama, a na površinu Zemlje dolazi u različitim oblicima i različitim intenzitetima.

Temperatura gornjih slojeva tla uglavnom ovisi o vanjskim (egzogenim) faktorima - sunčevoj svjetlosti i temperaturi zraka. Ljeti i danju tlo se zagrijava na određene dubine, a zimi i noću se hladi nakon promjene temperature zraka i s određenim kašnjenjem, povećavajući se sa dubinom. Utjecaj dnevnih kolebanja temperature zraka završava na dubinama od nekoliko do nekoliko desetaka 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. To je lako provjeriti spuštanjem u dovoljno duboku pećinu.

Kada je prosječna godišnja temperatura zraka u određenom području ispod nule, to se manifestira kao permafrost (tačnije, permafrost). U istočnom Sibiru debljina, odnosno debljina smrznutih tla tokom cijele godine mjestimice doseže 200-300 m.

Iz određene dubine (vlastite za svaku točku na karti), djelovanje Sunca i atmosfere toliko slabi da endogeni (unutarnji) faktori izlaze na vrh, a unutrašnjost zemlje zagrijava se iznutra, tako da temperatura počinje rasti s dubinom.

Zagrijavanje dubokih slojeva Zemlje uglavnom je povezano s raspadanjem radioaktivnih elemenata koji se tamo nalaze, iako se i drugi izvori toplote nazivaju, na primjer, fizičko-hemijskim, tektonskim procesima u dubokim slojevima zemljine kore i plašta. Ali bez obzira na razlog, temperatura stijena i pripadajućih tečnih i plinovitih tvari raste s dubinom. Rudari se suočavaju s ovom pojavom - u dubokim je rudnicima uvijek vruće. Na dubini od 1 km vrućina od trideset stepeni je normalna, a dublje temperatura još veća.

Protok toplote u unutrašnjosti Zemlje, dostižući Zemljinu površinu, mali je - njegova snaga je u proseku 0,03–0,05 W / m 2 ili oko 350 W · h / m 2 godišnje. U pozadini toplotnog toka Sunca i zraka koji se njime zagrijava, ovo je neprimjetna vrijednost: Sunce daje svakom kvadratnom metru zemljine površine oko 4000 kWh godišnje, odnosno 10 000 puta više (naravno, to je u prosjeku, s ogromnim širenjem između polarnih i ekvatorijalnih širina i ovisno o ostalim klimatskim i vremenskim faktorima).

Neznačajnost protoka toplote iz dubina na površinu na većini planete povezana je s niskom toplotnom provodljivošću stijena i osobenostima geološke strukture. Ali postoje izuzeci - mjesta na kojima je protok toplote velik. To su, prije svega, povećane zone tektonskih rasjeda seizmička aktivnost i vulkanizam, gdje energija unutrašnjosti zemlje pronalazi izlaz. Ove zone karakteriziraju toplotne anomalije litosfere, ovdje toplotni tok koji doseže površinu Zemlje može biti nekoliko puta, pa čak i reda veličine, snažniji od "uobičajenog". Vulkanske erupcije i izvori tople vode donose ogromne količine toplote na površinu u tim zonama.

Upravo su ta područja najpovoljnija za razvoj geotermalne energije. Na teritoriji Rusije to su, prije svega, Kamčatka, Kurilska ostrva i Kavkaz.

Istodobno, razvoj geotermalne energije moguć je gotovo svugdje, budući da je porast temperature s dubinom sveprisutan fenomen, a zadatak je "vaditi" toplinu iz crijeva, baš kao što se odatle izvlače mineralne sirovine.

U prosjeku temperatura raste s dubinom za 2,5-3 ° C na svakih 100 m. Odnos temperaturne razlike između dviju točaka na različitim dubinama i razlike u dubini između njih naziva se geotermalni gradijent.

Recipročni je geotermalni korak ili interval dubine na kojem temperatura raste za 1 ° C.

Što je veći gradijent i, shodno tome, niža stepenica, toplina zemljinih dubina bliže izlazi na površinu i ovo je područje perspektivnije za razvoj geotermalne energije.

U različitim područjima, ovisno o geološkoj strukturi i ostalim regionalnim i lokalnim uvjetima, brzina porasta temperature sa dubinom može dramatično varirati. Na skali Zemlje, fluktuacije veličina geotermalnih gradijenata i stepenica dosežu 25 puta. Na primjer, u Oregonu (SAD) gradijent je 150 ° C po km, a u Južna Afrika - 6 ° C na 1 km.

Pitanje je koja je temperatura na velikim dubinama - 5, 10 km ili više? Ako se trend nastavi, temperature na dubini od 10 km trebale bi u prosjeku iznositi oko 250–300 ° C. To manje-više potvrđuju izravna zapažanja u naddubokim bušotinama, iako je slika mnogo složenija od linearnog povećanja temperature.

Na primjer, u super dubokoj bušotini Kola, izbušenoj u baltičkom kristalnom štitu, temperatura do dubine od 3 km mijenja se brzinom od 10 ° C / 1 km, a tada geotermalni gradijent postaje 2–2,5 puta veći. Na dubini od 7 km već je zabilježena temperatura od 120 ° C, na dubini od 10 km - 180 ° C, a na dubini od 12 km - 220 ° C.

Drugi primjer je bušotina izbušena u sjevernom Kaspijskom moru, gdje je zabilježena temperatura od 42 ° C na dubini od 500 m, 70 ° C na 1,5 km, 80 ° C na 2 km i 108 ° C na 3 km.

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 ° C, na dubini od 400 km - 1600 ° C, u jezgri Zemlje (dubine preko 6000 km) - 4000-5000 C.

Na dubinama od 10–12 km temperatura se mjeri kroz izbušene bušotine; tamo 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 odljevne lave.

Međutim, za potrebe geotermalne energije podaci o temperaturama na dubinama većim od 10 km još uvijek nisu od praktičnog interesa.

Na dubinama od nekoliko kilometara ima puno vrućine, ali kako je podići? Ponekad nam sama priroda taj problem rješava uz pomoć prirodnog nosača toplote - zagrijanih termalnih voda koje izlaze na površinu ili leže na nama dostupnoj dubini. U nekim se slučajevima voda u dubini zagrijava do stanja pare.

Ne postoji stroga definicija pojma "termalne vode". U pravilu se podrazumijeva vruća podzemna voda u tečnom stanju ili u obliku pare, uključujući i one koje na površinu Zemlje izlaze s temperaturom iznad 20 ° C, što je u pravilu više od temperature zraka.

Toplina podzemne vode, pare, mješavine vodene pare je hidrotermalna energija. U skladu s tim, energija zasnovana na njenoj upotrebi naziva se hidrotermalna.

Situacija je složenija kod izvlačenja toplote direktno iz suvih stijena - petrotermalna energija, pogotovo jer prilično visoke temperature u pravilu počinju s dubine od nekoliko kilometara.

Na teritoriji Rusije potencijal petrotermalne energije sto puta je veći od hidrotermalne energije - 3500, odnosno 35 biliona 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 uglavnom koriste termalne vode.

Vode s temperaturama između 20-30 ° C i 100 ° C pogodne su za grijanje, temperature između 150 ° 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 jedinice energije, približno su 10 puta veći od rezervi fosilnih goriva.

Teoretski, samo geotermalna energija može u potpunosti zadovoljiti energetske potrebe zemlje. U praksi to trenutno na većini njene teritorije nije izvedivo iz tehničkih i ekonomskih razloga.

U svijetu je upotreba geotermalne energije najčešće povezana s Islandom - zemljom koja se nalazi na sjevernom kraju Srednjoatlantskog grebena, u izuzetno aktivnoj tektonskoj i vulkanskoj zoni. Vjerovatno se svi sjećaju snažne erupcije vulkana Eyjafjallajokull ( Eyjafjallajökull) u 2010. godini

Zahvaljujući ovoj geološkoj specifičnosti Island posjeduje ogromne rezerve geotermalne energije, uključujući tople izvore koji izlaze na površinu Zemlje, pa čak i izbijaju u obliku gejzira.

Na Islandu se preko 60% sve potrošene energije trenutno uzima sa Zemlje. Uključujući geotermalne izvore obezbeđuje 90% grejanja i 30% proizvodnje električne energije. Dodajemo da se ostatak električne energije u zemlji proizvodi u hidroelektranama, odnosno također se koristi obnovljivi izvor energije, zahvaljujući čemu Island izgleda kao neka vrsta globalnog ekološkog standarda.

'Pripitomljavanje' geotermalne energije u 20. stoljeću pomoglo je Islandu primjetno ekonomski. Do sredine prošlog stoljeća bila je vrlo siromašna zemlja, sada je na prvom mjestu u svijetu po instaliranom kapacitetu i proizvodnji geotermalne energije po stanovniku i nalazi se u prvih deset po apsolutnoj vrijednosti instaliranog kapaciteta geotermalnih elektrana. Međutim, njegova populacija broji samo 300 hiljada ljudi, što pojednostavljuje zadatak prelaska na ekološki prihvatljive izvore energije: potrebe za njom uglavnom su male.

Pored Islanda, visok udio geotermalne energije u ukupnom bilansu proizvodnje električne energije pruža se na Novom Zelandu i ostrvskim državama jugoistočne Azije (Filipini i Indonezija), zemljama Srednje Amerike i Istočne Afrike, čiju teritoriju karakteriše i visoka seizmička i vulkanska aktivnost. Za ove zemlje, s obzirom na njihov trenutni nivo razvoja i potrebe, geotermalna energija daje značajan doprinos društveno-ekonomskom razvoju.

Korištenje geotermalne energije ima vrlo dugu istoriju. Jedan od prvih poznatih primjera je Italija, mjesto u provinciji Toskana, koja se danas zove Larderello, gdje su se već početkom 19. stoljeća lokalne vruće termalne vode, koje su se prirodno izlijevale ili vadile iz plitkih bunara, koristile u energetske svrhe.

Ovdje je korištena podzemna voda bogata borom za dobivanje borne kiseline. U početku se ova kiselina dobivala isparavanjem u gvozdenim kotlovima, a obično gorivo za ogrev iz obližnjih šuma uzimalo se kao gorivo, ali 1827. Francesco Larderel stvorio je sistem koji je radio na vrućini samih voda. Istovremeno, energija prirodne vodene pare počela se koristiti za rad bušaćih postrojenja, a početkom 20. vijeka i za grijanje lokalnih kuća i staklenika. Na istom mjestu, u Larderellu, 1904. godine termalna vodena para postala je izvor energije za proizvodnju električne energije.

Neke druge zemlje slijedile su primjer Italije krajem 19. i početkom 20. vijeka. Na primjer, 1892. godine termalne vode su se prvi put koristile za lokalno grijanje u Sjedinjenim Državama (Boise, Idaho), 1919. - u Japanu, 1928. - na Islandu.

U SAD-u se prva hidrotermalna elektrana pojavila u Kaliforniji početkom 1930-ih, na Novom Zelandu 1958., u Meksiku 1959., u Rusiji (prva binarna geoPP na svijetu) 1965. ...

Stari princip o novom izvoru

Za proizvodnju električne energije potrebna je viša temperatura izvora vode nego za grijanje - više od 150 ° C. Princip rada geotermalne elektrane (GeoPP) sličan je principu rada konvencionalne termoelektrane (TE). Zapravo, geotermalna elektrana je vrsta termoelektrane.

U TE, ugljen, plin ili mazut u pravilu djeluju kao primarni izvor energije, a vodena para služi kao radni fluid. Gorivo, sagorijevajući, zagrijava vodu do stanja pare koja okreće parnu turbinu i ona stvara električnu energiju.

Razlika između GeoPP-a je u tome što je ovdje primarni izvor energije toplota zemljine unutrašnjosti, a radni fluid u obliku pare dovodi se u lopatice turbina električnog generatora u "gotovom" obliku direktno iz proizvodne bušotine.

Tri su glavne sheme rada GeoPP-a: direktna, koristeći suhu (geotermalnu) paru; indirektni, na bazi hidrotermalne vode i mješoviti ili binarni.

Upotreba određene sheme ovisi o agregacijskom stanju i temperaturi nosača energije.

Najjednostavnija i stoga prva savladana šema je ravna linija u kojoj para koja dolazi iz bunara prolazi direktno kroz turbinu. Prvi geoPP na svijetu u Larderellu također je djelovao na suvoj pari 1904. godine.

GeoPP-ovi s indirektnom shemom rada najčešći su u naše vrijeme. Koriste vruće podzemne vode, koji se pumpa u isparivač pod visokim pritiskom, gdje se dio ispari, a rezultirajuća para okreće turbinu. U nekim su slučajevima potrebni dodatni uređaji i krugovi za pročišćavanje geotermalne vode i pare od agresivnih spojeva.

Potrošena para ulazi u injekcionu bušotinu ili se koristi za grijanje prostora - u ovom slučaju princip je isti kao i u radu kogeneracije.

Kod binarnih GeoPP-ova, vruća termalna voda stupa u interakciju s drugom tečnošću koja djeluje kao radni fluid s nižom tačkom ključanja. Obje tečnosti prolaze kroz izmjenjivač topline, gdje termalna voda isparava radni fluid čija para rotira turbinu.

Ovaj sistem je zatvoren, što rješava problem emisije u atmosferu. Pored toga, radne tečnosti sa relativno niskom tačkom ključanja omogućavaju upotrebu ne baš vrućih termalnih voda kao primarnog izvora energije.

Sve tri sheme koriste hidrotermalni izvor, ali petrotermalna energija se takođe može koristiti za proizvodnju električne energije.

Šematski dijagram je u ovom slučaju takođe prilično jednostavan. Potrebno je izbušiti dvije međusobno povezane bušotine - ubrizgavanje i proizvodnju. Voda se pumpa u injekcijski bunar. U dubini se zagrijava, a zatim se zagrijana voda ili para nastala kao rezultat jakog zagrijavanja dovodi kroz proizvodni bunar na površinu. Dalje, sve ovisi o tome kako se petrotermalna energija koristi - za grijanje ili za proizvodnju električne energije. Moguć je zatvoreni ciklus ubrizgavanjem otpadne pare i vode natrag u injekcijski bunar ili drugim načinom odlaganja.

Nedostatak takvog sistema je očit: da bi se dobila dovoljno visoka temperatura radne tečnosti, bušotine se moraju izbušiti do velike dubine. A ovo je ozbiljan trošak i rizik od značajnih gubitaka topline kada se tekućina kreće prema gore. Stoga su petrotermalni sistemi još uvijek rjeđi od hidrotermalnih, iako je potencijal petrotermalne energije za redove veličine veći.

Trenutno je Australija lider u stvaranju takozvanih petrotermalnih cirkulacionih sistema (PCS). Pored toga, ovaj se smjer geotermalne energije aktivno razvija u SAD-u, Švicarskoj, Velikoj Britaniji i Japanu.

Poklon lorda Kelvina

Izum toplotne pumpe fizičara Williama Thompsona (zvani Lord Kelvin) 1852. godine pružio je čovječanstvu stvarnu priliku da koristi toplotu niskog potencijala gornjih slojeva tla. Sustav toplinske pumpe ili, kako ga je Thompson nazvao, multiplikator topline, zasnovan je na fizičkom procesu prijenosa topline iz okoliš na rashladno sredstvo. Zapravo koristi isti princip kao u petrotermalnim sistemima. Razlika je u izvoru topline, u vezi s čime se može postaviti terminološko pitanje: u kojoj se mjeri toplotna pumpa može smatrati geotermalnim sistemom? Činjenica je da se u gornjim slojevima, do dubine od desetina do stotina metara, kamenje i tečnosti sadržane u njima zagrijavaju ne dubokom toplinom zemlje, već suncem. Dakle, sunce je u ovom slučaju primarni izvor toplote, premda se uzima, kao u geotermalnim sistemima, sa zemlje.

Rad toplotne pumpe temelji se na kašnjenju zagrijavanja i hlađenja tla u odnosu na atmosferu, uslijed čega se formira gradijent temperature između površine i dubljih slojeva, koji zadržavaju toplinu i zimi, slično onome što se događa u vodenim tijelima. Glavna svrha dizalica topline je grijanje prostora. U stvari, to je "obrnuti hladnjak". I dizalica topline i hladnjak međusobno djeluju s tri komponente: unutarnjim okolišem (u prvom slučaju - grijanom sobom, u drugom - rashlađenom komorom hladnjaka), vanjskim okolišem - izvorom energije i rashladnim sredstvom (rashladnim sredstvom), to je ujedno i nosač topline koji osigurava prijenos topline ili hladno.

Supstanca s niskom tačkom ključanja djeluje kao rashladno sredstvo, što joj omogućava da uzima toplinu iz izvora koji ima čak i relativno nisku temperaturu.

U hladnjaku tečno rashladno sredstvo ulazi u isparivač kroz prigušnicu (regulator pritiska), gdje zbog naglog smanjenja pritiska tekućina isparava. Isparavanje je endotermni proces koji zahtijeva vanjsku apsorpciju topline. Kao rezultat, toplina se uzima iz unutrašnjih zidova isparivača, što osigurava efekt hlađenja u komori hladnjaka. Dalje, iz isparivača, rashladno sredstvo se usisava u kompresor, gdje se vraća u agregatno tečno stanje. Ovo je obrnuti postupak koji dovodi do oslobađanja uklonjene toplote u vanjsko okruženje. U pravilu se baca u sobu, a stražnja strana hladnjaka je relativno topla.

Toplotna pumpa radi na približno isti način, s tom razlikom što se toplota uzima iz vanjskog okruženja i kroz isparivač ulazi u unutarnje okruženje - sistem grijanja prostorije.

U pravoj toplotnoj pumpi voda se zagrijava, prolazeći duž vanjskog kruga, položenog u zemlju ili u rezervoar, a zatim ulazi u isparivač.

U isparivaču se toplina prenosi u unutarnji krug ispunjen rashladnim sredstvom s niskom tačkom ključanja, koje, prolazeći kroz isparivač, iz tekućeg prelazi u plinovito stanje oduzimajući toplinu.

Dalje, plinovito rashladno sredstvo ulazi u kompresor, gdje se komprimira na visoki pritisak i temperaturu, te ulazi u kondenzator, gdje se odvija izmjena topline između vrućeg plina i rashladne tečnosti iz sistema grijanja.

Za rad kompresora potrebna je električna energija, međutim, odnos transformacije (odnos potrošene i proizvedene energije) u modernim sistemima je dovoljno visok da osigura njihovu efikasnost.

Danas se toplotne pumpe široko koriste za grejanje prostora, uglavnom u ekonomski razvijenim zemljama.

Ekološki ispravna energija

Geotermalna energija se smatra ekološkom, što je općenito tačno. Prije svega, koristi obnovljivi i praktično neiscrpni resurs. Geotermalna energija ne zahtijeva velike površine, za razliku od velikih hidroelektrana ili vjetroelektrana, i ne zagađuje atmosferu, za razliku od energije ugljikovodika. U prosjeku GeoPP zauzima 400 m 2 u smislu 1 GW proizvedene električne energije. Ista vrijednost za elektranu na ugalj, na primjer, iznosi 3600 m 2. Ekološke prednosti GeoPP-a uključuju i malu potrošnju vode - 20 litara svježe vode po 1 kW, dok TE i NE zahtijevaju oko 1000 litara. Imajte na umu da su ovo ekološki pokazatelji „prosječnog“ GeoPP-a.

Ali i dalje postoje negativni nuspojave. Među njima se najčešće razlikuju buka, termičko zagađenje atmosfere i hemijsko zagađenje - vode i tla, kao i stvaranje čvrstog otpada.

Glavni izvor hemijskog zagađenja okoline je stvarna termalna voda (sa visokom temperaturom i mineralizacijom), koja često sadrži velike količine toksična jedinjenja, u vezi s kojima postoji problem odlaganja otpadnih voda i opasnih supstanci.

Negativni efekti geotermalne energije mogu se pratiti u nekoliko faza, počevši od bušenja bušotina. Ovdje se javljaju iste opasnosti kao kod bušenja bilo kojeg izvora: uništavanje tla i vegetacijskog pokrivača, zagađenje tla i podzemnih voda.

U fazi rada GeoPP-a i dalje postoje problemi sa zagađenjem životne sredine. Termalne tečnosti - voda i para - obično sadrže ugljen-dioksid (CO 2), sumpor-sulfid (H 2 S), amonijak (NH 3), metan (CH 4), kuhinjsku sol (NaCl), bor (B), arsen (As ), živa (Hg). Kada se puste u okoliš, postaju izvori zagađenja. Pored toga, agresivno hemijsko okruženje može prouzrokovati oštećenja na koroziji na objektima GeoTPP-a.

Istovremeno, emisije zagađivača na GeoPP-ima su u prosjeku niže nego na TE. Na primjer, emisije ugljen-dioksida za svaki kilovat-sat proizvedene električne energije iznose do 380 g u TE, 1042 g - u TE na ugalj, 906 g - u loživom ulju i 453 g - u TE.

Postavlja se pitanje: šta raditi sa otpadnom vodom? Sa slanom slanošću, može se ispustiti u površinske vode nakon hlađenja. Drugi način je ubrizgavanje natrag u vodonosni sloj kroz injekcionu bušotinu, koja je danas poželjna i pretežno se koristi.

Vađenje termalne vode iz vodonosnih slojeva (kao i ispumpavanje obične vode) može prouzrokovati slijeganje i kretanje tla, druge deformacije geoloških slojeva i mikro-zemljotrese. Vjerovatnoća za takve pojave je u pravilu mala, iako su zabilježeni pojedinačni slučajevi (na primjer, u GeoPP-u u Staufen im Breisgau u Njemačkoj).

Treba naglasiti da se većina GeoPP-a nalazi u relativno slabo naseljenim područjima i u zemljama Trećeg svijeta, gdje su ekološki zahtjevi manje strogi nego u razvijenim zemljama. Pored toga, trenutno su broj GeoPP-a i njihovi kapaciteti relativno mali. Opsežnijim razvojem geotermalne energije rizici po životnu sredinu mogu se povećavati i umnožavati.

Koliko je energija Zemlje?

Investicijski troškovi za izgradnju geotermalnih sistema variraju u vrlo širokom rasponu - od 200 do 5000 dolara po 1 kW instalirane snage, odnosno najjeftinije su mogućnosti usporedive s troškovima izgradnje termoelektrane. Oni zavise, pre svega, od uslova pojave termalnih voda, njihovog sastava, dizajna sistema. Bušenjem do velikih dubina, stvaranjem zatvorenog sistema s dva bunara, potreba za pročišćavanjem vode može višestruko povećati troškove.

Na primjer, ulaganja u stvaranje petrotermalnog cirkulacijskog sustava (PCS) procjenjuju se na 1,6–4 tisuće USD po 1 kW instalirane snage, što premašuje troškove izgradnje nuklearne elektrane i usporedivo je s troškovima izgradnje vjetroelektrana i solarnih elektrana.

Očigledna ekonomska prednost GeoTPP-a je besplatan nosač energije. Za usporedbu, u strukturi troškova tekuće TE ili NE, gorivo čini 50–80% ili čak više, ovisno o trenutnim cijenama za nosače energije. Otuda još jedna prednost geotermalni sistem: operativni troškovi su stabilniji i predvidljiviji, jer ne ovise o vanjskim cijenama energije. Generalno, operativni troškovi GeoTPP-a procjenjuju se na 2-10 centi (60 kopejki - 3 ruble) po 1 kWh proizvedenog kapaciteta.

Druga po veličini (nakon nosača energije) (i vrlo značajna) stavka izdataka su, po pravilu, plaće osoblja u pogonu, koje se mogu radikalno razlikovati među zemljama i regijama.

U prosjeku su troškovi 1 kWh geotermalne energije usporedivi s troškovima za TE (u ruskim uvjetima - oko 1 RUB / 1 kWh) i deset puta veći od troškova proizvodnje električne energije na HE (5-10 kopejki / 1 kWh) ).

Dio razloga za visoku cijenu leži u činjenici da, za razliku od termo i hidroelektrana, GeoTPP ima relativno mali kapacitet. Pored toga, potrebno je uporediti sisteme koji se nalaze u istoj regiji i u sličnim uslovima. Na primjer, na Kamčatki, prema riječima stručnjaka, 1 kWh geotermalne električne energije košta 2-3 puta manje od električne energije proizvedene u lokalnim termoelektranama.

Pokazatelji ekonomske efikasnosti geotermalnog sistema ovise, na primjer, o tome je li potrebno zbrinjavati otpadne vode i na koji se način to radi, je li moguća kombinirana upotreba resursa. Dakle, hemijski elementi i spojevi ekstrahirani iz termalne vode mogu pružiti dodatni prihod. Prisjetimo se primjera Larderella: tamo je bila primarna kemijska proizvodnja, a upotreba geotermalne energije u početku je bila pomoćna.

Geotermalna energija prema naprijed

Geotermalna energija se razvija nešto drugačije od vjetra i sunca. Trenutno je to znatno više ovisno o prirodi samog resursa, koji se naglo razlikuje po regijama, a najviše koncentracije vezane su za uske zone geotermalnih anomalija, povezane, u pravilu, s područjima tektonskih rasjeda i vulkanizma.

Pored toga, geotermalna energija je tehnološki manje kapacitivna od vjetra, a još više kod sunčeve energije: sustavi geotermalnih postrojenja prilično su jednostavni.

U ukupnoj strukturi svjetske proizvodnje električne energije, geotermalna komponenta čini manje od 1%, ali u nekim regijama i zemljama njen udio doseže 25-30%. Zbog povezanosti sa geološkim uslovima, značajan dio geotermalnih energetskih kapaciteta koncentriran je u zemljama trećeg svijeta, gdje se razlikuju tri klastera najvećeg razvoja industrije - ostrva Jugoistočne Azije, Srednje Amerike i Istočne Afrike. Prve dvije regije su uključene u pacifički "zemaljski vatreni pojas", treća je vezana za istočnoafričku pukotinu. Geotermalna energija će se najverovatnije dalje razvijati u ovim pojasevima. Udaljenija perspektiva je razvoj petrotermalne energije, koristeći toplotu slojeva zemlje, koji leže na dubini od nekoliko kilometara. Ovo je gotovo sveprisutan resurs, ali njegovo vađenje zahtijeva velike troškove, pa se petrotermalna energija razvija prvenstveno u ekonomski i tehnološki najmoćnijim zemljama.

Generalno, s obzirom na sveprisutnu raspodjelu geotermalnih resursa i prihvatljiv nivo ekološke sigurnosti, postoji razlog za vjerovanje da geotermalna energija ima dobre izglede za razvoj. Pogotovo s rastućom prijetnjom nestašice tradicionalnih izvora energije i porastom cijena za njih.

Od Kamčatke do Kavkaza

U Rusiji razvoj geotermalne energije ima prilično dugu istoriju i na nizu pozicija smo među svjetskim liderima, iako je udio geotermalne energije u ukupnom energetskom bilansu ogromne države još uvijek zanemariv.

Dvije regije - Kamčatka i Sjeverni Kavkaz - postale su pioniri i centri za razvoj geotermalne energije u Rusiji, i ako se u prvom slučaju govori prvenstveno o elektroenergetskoj industriji, onda u drugom - o upotrebi toplotne energije termalne vode.

Na Sjevernom Kavkazu - u Krasnodarskom kraju, Čečeniji, Dagestanu - toplota termalne vode u energetske svrhe koristila se i prije Velike Otadžbinski rat... Osamdesetih i devedesetih godina, razvoj geotermalne energije u regiji iz očiglednih razloga je zastao i još nije izašao iz stanja stagnacije. Bez obzira na to, opskrba geotermalnom vodom na Sjevernom Kavkazu pruža toplinu za oko 500 hiljada ljudi, a, primjerice, grad Labinsk u Krasnodarskoj teritoriji sa populacijom od 60 hiljada ljudi u potpunosti se zagrijava geotermalnim vodama.

Na Kamčatki je istorija geotermalne energije povezana prvenstveno sa izgradnjom GeoPP-a. Prva od njih, koja još uvijek radi na stanicama Pauzhetskaya i Paratunskaya, izgrađene su 1965.-1967., Dok je Paratunskaya GeoPP snage 600 kW postala prva stanica na svijetu s binarnim ciklusom. Bio je to razvoj sovjetskih naučnika S. S. Kutateladzea i A. M. Rosenfelda iz Instituta za termofiziku Sibirskog ogranka Ruske akademije nauka, koji su 1965. dobili autorsku potvrdu za vađenje električne energije iz vode temperature 70 ° C. Ova tehnologija je kasnije postala prototip za više od 400 binarnih GeoPP-ova u svijetu.

Kapacitet Pauzhetskaya GeoPP-a, puštenog u rad 1966. godine, u početku je bio 5 MW, a zatim je povećan na 12 MW. Trenutno se na stanici gradi binarni blok, koji će povećati svoj kapacitet za još 2,5 MW.

Razvoj geotermalne energije u SSSR-u i Rusiji bio je ometan dostupnošću tradicionalnih izvora energije - nafte, plina, uglja, ali nikada nije zaustavljen. Najveća geotermalna energetska postrojenja u ovom trenutku su Geoelektrana Verkhne-Mutnovskaya sa ukupnim kapacitetom od 12 MW, puštena u rad 1999. godine, i Mutnovskaya GeoPP s kapacitetom od 50 MW (2002).

Mutnovskaya i Verkhne-Mutnovskaya GeoPP jedinstveni su objekti ne samo za Rusiju, već i na globalnom nivou. Stanice se nalaze u podnožju vulkana Mutnovsky, na nadmorskoj visini od 800 metara, i rade u ekstremnim klimatskim uslovima, gdje je zima 9-10 mjeseci godišnje. Oprema Mutnovskog GeoPP-a, trenutno jednog od najmodernijih na svijetu, u potpunosti je stvorena u domaćim preduzećima u elektroenergetici.

Trenutno udio postrojenja Mutnovskie u ukupnoj strukturi potrošnje energije energetskog čvorišta Centralne Kamčatke iznosi 40%. Povećanje kapaciteta planirano je u narednim godinama.

Odvojeno, treba reći o ruskom petrotermalnom razvoju. Još nemamo velike DSP-ove, ali postoje napredne tehnologije za bušenje na velikim dubinama (oko 10 km), koje također nemaju analoge u svijetu. Njihov daljnji razvoj omogućit će drastično smanjenje troškova stvaranja petrotermalnih sistema. Programeri ovih tehnologija i projekata su N. A. Gnatus, M. D. Khutorskoy (Geološki institut, RAS), A. S. Nekrasov (Institut za ekonomsko predviđanje, RAS) i stručnjaci iz Kaluga turbine. Projekat petrotermalnog cirkulacijskog sistema u Rusiji trenutno je u eksperimentalnoj fazi.

U Rusiji postoje izgledi za geotermalnu energiju, premda relativno udaljeni: trenutno je potencijal prilično velik, a pozicije tradicionalne energije su jake. U isto vrijeme, u brojnim udaljenim regijama zemlje, upotreba geotermalne energije je ekonomski isplativa i sada je potražnja za njom. To su teritorije s visokim geoenergetskim potencijalom (Čukotka, Kamčatka, Kurile - ruski dio pacifičkog "Zemljinog vatrogasnog pojasa", planine Južnog Sibira i Kavkaza), a istovremeno udaljene i odsječene od centraliziranog opskrbe energijom.

Vjerovatno će se u sljedećim decenijama geotermalna energija u našoj zemlji razvijati u takvim regijama.

Temperatura tla se kontinuirano mijenja s dubinom i vremenom. Ovisi o brojnim faktorima, od kojih je mnoge teško objasniti. Potonji, na primjer, uključuju: prirodu vegetacije, izloženost padine kardinalnim točkama, hladovinu, snježni pokrivač, prirodu samih tla, prisustvo nadpermafrostnih voda itd. stabilno, a presudan utjecaj ovdje ostaje na temperaturu zraka.

Temperatura tla na različitim dubinamaa u različitim periodima godine mogu se dobiti direktnim mjerenjima u termalnim bunarima, koji su položeni tokom istraživanja. Ali ova metoda zahtijeva dugotrajna promatranja i značajne troškove, što nije uvijek opravdano. Podaci dobiveni za jednu ili dvije bušotine šire se na velikim površinama i dužinama, značajno narušavajući stvarnost, tako da se izračunati podaci o temperaturi tla u mnogim slučajevima pokazuju pouzdanijima.

Permafrost temperatura tlana bilo kojoj dubini (do 10 m od površine) i za bilo koje razdoblje u godini može se odrediti formulom:

tr \u003d mt °, (3.7)

gdje je z dubina izmjerena od VGM, m;

tr - temperatura tla na dubini z, u stupnjevima.

τr je vrijeme jednako godini (8760 h);

τ je vrijeme računato naprijed (nakon 1. januara) od trenutka početka jesenjeg smrzavanja tla do trenutka za koji se mjeri temperatura, u satima;

exp x - eksponencijalno (eksponencijalna funkcija exp preuzeta je iz tablica);

m - koeficijent u zavisnosti od perioda godine (za period oktobar - maj m \u003d 1,5-0,05 z, a za period jun - septembar m \u003d 1)

Najniža temperatura na određenoj dubini bit će kada kosinus u formuli (3.7) postane -1, tj. Minimalna temperatura tla za godinu dana na datoj dubini bit će

tr min \u003d (1,5-0,05z) t °, (3,8)

Maksimalna temperatura tla na dubini z bit će kada kosinus poprimi vrijednost jednaku jedinici, tj.

tr max \u003d t °, (3.9)

U sve tri formule, vrijednost zapreminskog toplotnog kapaciteta C m treba izračunati za temperaturu tla t ° prema formuli (3.10).

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

Temperatura tla u sloju sezonskog otapanjamože se odrediti i proračunom, uzimajući u obzir da se promjena temperature u ovom sloju prilično precizno aproksimira linearnom zavisnošću na sljedećim temperaturnim gradijentima (Tabela 3.1).

Izračunavši temperaturu tla na nivou VGM koristeći jednu od formula (3.8) - (3.9), tj. stavljajući formule Z \u003d 0, zatim pomoću tablice 3.1 određujemo temperaturu tla na određenoj dubini u sloju sezonskog odmrzavanja. U najgornjim slojevima tla, na oko 1 m od površine, priroda temperaturnih kolebanja je vrlo složena.

Tabela 3.1

Gradijent temperature u sloju sezonskog otapanja na dubini ispod 1 m od zemljine površine

Bilješka. Znak gradijenta prikazan je prema dnevnoj površini.

Da biste dobili izračunatu temperaturu tla u sloju od metra od površine, možete postupiti na sljedeći način. Izračunajte temperaturu na dubini od 1 m i temperaturu dnevne površine tla, a zatim, interpoliranjem iz ove dvije vrijednosti, odredite temperaturu na zadanoj dubini.

Temperatura na površini tla t p tokom hladne sezone može se uzeti kao temperatura zraka. U ljeto:

t p \u003d 2 + 1,15 t in, (3.11)

gdje je t p površinska temperatura u stupnjevima.

t in - temperatura zraka u stupnjevima

Temperatura tla u protočnom kriolitozonu izračunava se drugačije nego pri spajanju. U praksi možemo pretpostaviti da će temperatura na nivou VGM biti jednaka 0 ° C tokom cele godine. Izračunata temperatura tla slojeva permafrosta na određenoj dubini može se odrediti interpolacijom, pod pretpostavkom da se na dubini mijenja prema linearnom zakonu od t ° na dubini od 10 m do 0 ° C na dubini VGM. Temperatura u odmrznutom sloju h t može se uzeti od 0,5 do 1,5 ° C.

U sloju sezonskog smrzavanja h p, temperatura tla može se izračunati na isti način kao i za sloj sezonskog odmrzavanja spajajućeg kriolitozona, tj. u sloju h p - 1 m duž temperaturnog gradijenta (Tabela 3.1), uzimajući u obzir temperaturu na dubini od h p jednaku 0 ° C u hladnoj sezoni i 1 ° C ljeti. U gornjem sloju tla od 1 m temperatura se određuje interpolacijom između temperature na dubini od 1 m i temperature na površini.