"Korištenje niske potencijalne toplinske energije zemlje u sustavima toplinskih pumpi"

G. Vasilyev, znanstveni direktor INSOLAR-INVEST OJSC, doktor tehničkih znanosti, predsjednik Upravnog odbora INSOLAR-INVEST OJSC
  N. V. Shilkin, inženjer, NIISF (Moskva)

Racionalna uporaba goriva i energetskih resursa  danas je jedan od globalnih globalnih problema, čije će uspješno rješenje, očito, biti od presudnog značaja ne samo za daljnji razvoj svjetske zajednice, već i za očuvanje njenog okoliša. Jedan od obećavajućih načina rješavanja ovog problema je primjena novih tehnologija koje štede energijukorištenjem netradicionalnih obnovljivih izvora energije (NEE)  Iscrpljivanje tradicionalnih fosilnih goriva i posljedice za okoliš koje ih izgaraju posljednjih desetljeća doveli su do značajnog porasta interesa za ove tehnologije u gotovo svim razvijenim zemljama svijeta.

Prednosti tehnologija opskrbe toplinom, koje se koriste u usporedbi s njihovim tradicionalnim kolegama, povezane su ne samo sa značajnim smanjenjem troškova energije u sustavima životnog održavanja zgrada i građevina, već i sa njihovom čistoćom u okolišu, kao i novim mogućnostima u području povećati stupanj autonomije sustava za održavanje života, Očito će u skoroj budućnosti upravo te kvalitete biti presudne u oblikovanju konkurentske situacije na tržištu opreme za proizvodnju topline.

Analiza mogućih područja primjene u ruskoj ekonomiji korištenja tehnologija koje štede energiju nekonvencionalni izvori energije, pokazuje da su u Rusiji najperspektivnije područje njihove primjene sustavi životne potpore zgrada. Istodobno, čini se da je vrlo učinkovit smjer uvođenja tehnologija u praksu u domaćoj gradnji sustavi opskrbe toplinskom pumpom (TST)koristeći se kao univerzalno dostupan izvor topline niskog potencijala tla površinskih slojeva Zemlje.

Pri korištenju zemaljska toplina Mogu se razlikovati dvije vrste toplinske energije - visoki i mali potencijal. Izvor toplinske energije visokog potencijala su hidrotermalni resursi - termalne vode zagrijane kao rezultat geoloških procesa do visoke temperature, što omogućuje njihovu upotrebu za opskrbu toplinom u zgradama. Međutim, upotreba velike potencijalne topline Zemlje ograničena je na područja s određenim geološkim parametrima. U Rusiji je to, na primjer, Kamčatka, regija kavkaških mineralnih voda; u Europi postoje izvori velike potencijalne topline u Mađarskoj, Islandu i Francuskoj.

Za razliku od "izravne" upotrebe visoko potencijalne topline (hidrotermalni resursi), korištenje nisko potencijalne topline Zemlje  pomoću toplinskih pumpi moguće je gotovo svugdje. Trenutno je to jedno od područja korištenja koje se najviše dinamično razvija. netradicionalni obnovljivi izvori energije.

Zemljina niskokvalitetna toplina  mogu se koristiti u raznim vrstama građevina i građevina na više načina: za grijanje, opskrbu toplom vodom, klimatizacijom (hlađenje), grijanje staza zimi, za sprečavanje zaleđivanja, grijanja polja na otvorenim stadionima itd. U tehničkoj literaturi na engleskom jeziku takvi sustavi su označeni kao "GHP" - "geotermalne toplinske pumpe", geotermalne toplinske pumpe.

Klimatske karakteristike zemalja Srednje i Sjeverne Europe, koje su zajedno sa SAD-om i Kanadom glavna područja korištenja nisko-potencijalne topline Zemlje, uglavnom određuju potrebu za grijanjem; hlađenje zraka čak i ljeti je relativno rijetko. Stoga, za razliku od Sjedinjenih Država, toplinske pumpe  u europskim zemljama rade uglavnom u načinu grijanja. U SAD-u toplinske pumpe  se češće koristi u sustavima grijanja na zraku u kombinaciji s ventilacijom, što omogućuje i grijanje i hlađenje vanjskog zraka. U europskim zemljama toplinske pumpe  obično se koristi u sustavima grijanja vodom. kao učinkovitost toplinske pumpe  povećava se kada se temperaturna razlika između isparivača i kondenzatora smanji, često se sustavi podnog grijanja koriste za grijanje zgrada, u kojima rashladno sredstvo cirkulira na relativno niskoj temperaturi (35–40 ° C).

najviše toplinske pumpe  u Europi, dizajniran za korištenje niskokvalitetne topline Zemlje, opremljen električnim kompresorima.

U posljednjih deset godina broj sustava koji koriste nisko potencijalni toplinski materijal Zemlje za opskrbu toplinom i hladnoćom kroz zgrade toplinske pumpeznačajno povećao. Najveći broj takvih sustava koristi se u SAD-u. Veliki broj takvih sustava djeluje u Kanadi i zemljama srednje i sjeverne Europe: Austrija, Njemačka, Švedska i Švicarska. Švicarska je vodeća u korištenju nisko-potencijalne toplinske energije Zemlje po glavi stanovnika. U Rusiji je u proteklih deset godina izgrađeno samo nekoliko objekata pomoću tehnologije i uz sudjelovanje INSOLAR-INVEST OJSC, specijaliziranih za ovo područje, od kojih su najzanimljiviji.

U Moskvi, u mikroskopu Nikulino-2, zapravo je prvi put izgrađen sustav tople vode s toplom vodom  višestambena stambena zgrada. Ovaj je projekt u razdoblju od 1998. do 2002. provodio Ministarstvo obrane Ruske Federacije, zajedno s Vladom Moskvom, Ministarstvom industrije i znanosti Rusije, Asocijacijom NP ABOK i unutar „Dugoročni program uštede energije u Moskvi“.

Kao nisko potencijalni izvor toplinske energije za isparivače toplinske crpke koriste se toplina tla površinskih slojeva Zemlje, kao i toplina uklonjenog zraka za ventilaciju. Instalacija za pripremu tople vode nalazi se u podrumu zgrade. Uključuje sljedeće osnovne elemente:

• jedinice toplinske pumpe za kompresiju pare (HPU);
• spremnici tople vode;
• sustavi za skupljanje nisko-potencijalne toplinske energije tla i nisko-potencijalne topline uklonjenog zraka za ventilaciju;
• cirkulacijske pumpe, instrumenti

Glavni element izmjene topline sustava nisko-potencijalnog prikupljanja topline tla su vertikalni koaksijalni izmjenjivači topline tla smješteni izvan oboda zgrade. Ti izmjenjivači topline su 8 bušotina, svaki s dubinom od 32 do 35 m, koji se nalaze u blizini kuće. Budući da se način rada toplinskih pumpi koristi toplina zemlje  a toplina uklonjenog zraka je konstantna, a potrošnja tople vode je promjenjiva, sustav tople vode opremljen je spremnicima.

Podaci koji ocjenjuju svjetsku razinu korištenja nisko-potencijalne toplinske energije Zemlje putem toplinskih pumpi dani su u tablici.

Tablica 1. Svjetska razina upotrebe nisko-potencijalne toplinske energije Zemlje putem toplinskih pumpi

Tlo kao izvor niske potencijalne toplinske energije

Podzemne vode s relativno niskom temperaturom ili tlo površinskih (do 400 m dubinskih) slojeva Zemlje mogu se koristiti kao izvor niske potencijalne toplinske energije, Sadržaj topline u zemljišnoj masi općenito je veći. Toplinski režim tla površinskih slojeva Zemlje formira se pod utjecajem dva glavna faktora - sunčevog zračenja na površini i protoka radiogene topline iz utrobe zemlje., Sezonske i dnevne promjene intenziteta sunčevog zračenja i temperature vanjskog zraka uzrokuju fluktuacije temperature u gornjim slojevima tla. Dubina prodora dnevne fluktuacije temperature vanjskog zraka i intenziteta sunčevog zračenja, ovisno o specifičnim tla i klimatskim uvjetima, kreću se od nekoliko desetaka centimetara do jednog i pol metra. Dubina prodiranja sezonskih fluktuacija temperature vanjskog zraka i intenziteta sunčevog zračenja, u pravilu, ne prelazi 15–20 m.

Temperaturni režim slojeva tla smještenih ispod ove dubine ("neutralna zona") formira se pod utjecajem toplinske energije koja dolazi iz crijeva Zemlje i praktički ne ovisi o sezonskim, pa čak i dnevnim promjenama parametara vanjske klime (Sl. 1).

Sl. 1. Grafikon promjena temperature tla ovisno o dubini

S povećanjem dubine temperatura tla raste u skladu s geotermalnim gradijentom (otprilike 3 stupnja C na svakih 100 m). Jačina protoka radiogene topline koja dolazi iz crijeva zemlje varira za različita mjesta. Za srednju Europu ta vrijednost iznosi 0,05–0,12 W / m2.

Tijekom radnog razdoblja, masa tla koja se nalazi unutar zone pod utjecajem topline registra cijevi izmjenjivača topline tla nisko-potencijalnog sustava za skupljanje topline tla (sustav za skupljanje topline), kao rezultat sezonskih promjena vanjske klime, kao i pod utjecajem operativnih opterećenja na sustav za skupljanje topline, obično je izložena opetovanom smrzavanju i topi. U ovom slučaju, prirodno, dolazi do promjene agregacije vlage koja se nalazi u porama tla i koja se nalazi u općenitom slučaju istovremeno u tekućoj i u čvrstoj i plinovitoj fazi. Drugim riječima, masa tla u sustavu prikupljanja topline, bez obzira na to u kojem se stanju nalazi (smrznuta ili odmrznuta), složen je trofazni više-disperzni heterogeni sustav, čiji je skelet formiran ogromnom količinom čvrstih čestica različitih oblika i veličina i može biti krut ili i pokretni, ovisno o tome jesu li čestice čvrsto povezane jedna s drugom ili su odvojene jedna od druge tvari u pokretnoj fazi. Praznine između krutih čestica mogu se popuniti mineraliziranom vlagom, plinom, parom i ledom ili oboje istovremeno. Modeliranje procesa prijenosa topline i mase koji tvore toplinski režim takvog višekomponentnog sustava izuzetno je težak zadatak, jer zahtijeva uzimanje u obzir i matematički opis različitih mehanizama njihove primjene: provođenje topline u jednoj čestici, prijenos topline iz jedne čestice u drugu pri njihovom kontaktu, molekulska provođenja topline u prazninama punjenja u sredini između čestica, konvekcije pare i vlage sadržane u poranom prostoru i mnoge druge.

Posebnu pozornost treba posvetiti utjecaju vlage tla tla i migracije vlage u njegovom porečkom prostoru na toplinske procese koji određuju karakteristike tla kao izvora niske potencijalne toplinske energije.

U kapilarno-poroznim sustavima, što je masa tla u sustavu za prikupljanje topline, prisutnost vlage u poranom prostoru ima vidljiv učinak na proces distribucije topline. Ispravno računovodstvo ovog utjecaja danas je povezano sa značajnim poteškoćama, koje su prije svega povezane s nedostatkom jasnih predodžbi o prirodi raspodjele čvrstih, tekućih i plinovitih faza vlage u jednoj ili drugoj strukturi sustava. Priroda sila vezivanja vlage s skeletnim česticama, ovisnost vlažnih veza s materijalom u različitim fazama vlaženja, te mehanizam kretanja vlage u poranom prostoru još nisu razjašnjeni.

Ako postoji temperaturni gradijent u debljini masnog sloja tla, molekule pare kreću se na mjesta s nižim temperaturnim potencijalom, ali istovremeno, pod utjecajem gravitacijskih sila, dolazi do suprotno usmjerenog protoka vlage u tekućoj fazi. Osim toga, na temperaturu gornjih slojeva tla utječe vlaga atmosferskih oborina, kao i podzemna voda.

Glavni čimbenici pod utjecajem kojih se formira temperaturni režim tla tla u sustavima za prikupljanje nisko-potencijalne topline tla prikazani su na Sl. 2.

Sl. 2. Čimbenici pod utjecajem kojih se formira temperaturni režim tla

Vrste sustava za korištenje nisko-potencijalne toplinske energije Zemlje

Vežu se zemljani izmjenjivači topline oprema toplinske pumpe  s masom tla. Pored „ekstrakcije“ Zemljine topline, izmjenjivači topline tla mogu se koristiti i za akumuliranje topline (ili hladnoće) u masi tla.

U općenitom slučaju, mogu se razlikovati dvije vrste sustava za korištenje nisko-potencijalne toplinske energije Zemlje:

• otvoreni sustavi:  kao izvor niske potencijalne toplinske energije koristi se podzemna voda koja se isporučuje izravno toplinskim crpkama;
• zatvoreni sustavi:  izmjenjivači topline nalaze se u masi tla; kada rashladna tekućina cirkulira kroz njih s temperaturom nižom od temperature tla, toplina se "uzima" iz tla i prebacuje u isparivač toplinska pumpa  (ili kada se koristi nosač topline s povišenom temperaturom u odnosu na tlo, njegovo hlađenje).

Glavni dio otvorenih sustava čine bunari koji omogućuju iscrpljivanje podzemne vode iz vodonosnika i vraćanje vode natrag u iste vodonosnike. Obično su uređeni upareni bunari za to. Shema takvog sustava prikazana je na Sl. 3.

Sl. 3. Shema otvorenog sustava za korištenje niskokvalitetne toplinske energije podzemne vode

Prednost otvorenih sustava je mogućnost proizvodnje velike količine toplinske energije uz relativno niske troškove. Međutim, bušotine zahtijevaju održavanje. Osim toga, uporaba takvih sustava nije moguća u svim područjima. Glavni zahtjevi za tlo i podzemne vode su sljedeći:

• dovoljna propusnost vode u tlu, omogućava nadopunu zaliha vode;
• dobar kemijski sastav podzemne vode (na primjer, nizak sadržaj željeza), izbjegavajući probleme povezane s stvaranjem naslaga na zidovima cijevi i korozije.

Otvoreni sustavi češće se koriste za grijanje ili hlađenje velikih zgrada. Najveći svjetski geotermalni sustav toplinske pumpe  koristi podzemne vode kao izvor niske potencijalne toplinske energije. Ovaj se sustav nalazi u Sjedinjenim Državama, Louisvilleu, Kentucky. Sustav se koristi za opskrbu toplinom i hladnoćom hotelsko-uredskog kompleksa; Kapacitet mu je približno 10 MW.

Ponekad sustavi koji koriste toplinu Zemlje uključuju sustave korištenja nisko-potencijalne topline otvorenih vodenih tijela, prirodnih i umjetnih. Taj je pristup usvojen posebno u Sjedinjenim Državama. Sustavi koji koriste nisku potencijalnu toplinu vodnih tijela su otvoreni, kao i sustavi koji koriste nisku potencijalnu toplinu podzemne vode.

Zatvoreni sustavi, zauzvrat, dijele se na vodoravne i vertikalne.

Horizontalni izmjenjivač topline tla(u engleskoj se literaturi koriste i izrazi „prizemni kolektor topline“ i „vodoravna petlja“), obično se nalazi u blizini kuće na maloj dubini (ali ispod razine smrzavanja tla zimi). Uporaba vodoravnih zemljanih izmjenjivača topline ograničena je veličinom postojećeg mjesta.

U zemljama zapadne i srednje Europe vodoravni zemaljski izmjenjivači topline obično su zasebne cijevi postavljene relativno čvrsto i međusobno spojene u nizu ili paralelno (sl. 4a, 4b). Da bi se uštedjelo područje, razvijeni su poboljšani tipovi izmjenjivača topline, na primjer, spiralni izmjenjivači topline koji se nalaze vodoravno ili okomito (Sl. 4e, 4e). Ovaj oblik izmjenjivača topline uobičajen je u Sjedinjenim Državama.

Sl. 4. Vrste vodoravnih izmjenjivača topline tla
  a - izmjenjivač topline iz cijevi spojenih cijevima;
  b - izmjenjivač topline iz paralelno povezanih cijevi;
  u - vodoravni kolektor postavljen u rov;
  g - izmjenjivač topline u obliku petlje;
d - izmjenjivač topline u obliku spirale smještene vodoravno (tzv. "slinky" kolektor;
  e - spiralni izmjenjivač topline

Ako se sustav s vodoravnim izmjenjivačima topline koristi samo za proizvodnju topline, njegovo normalno funkcioniranje moguće je samo ako se na Zemljinu površinu dobije dovoljno topline zbog sunčevog zračenja. Iz tog razloga površina iznad izmjenjivača topline mora biti izložena sunčevoj svjetlosti.

Okomiti zemljani izmjenjivači topline  (naziv „BHE“ prihvaćen je u engleskoj literaturi kao „izmjenjivač topline u bušotinama“) omogućavaju korištenje niskokvalitetne toplinske energije tla tla koja se nalazi ispod „neutralne zone“ (10–20 m od razine tla). Sustavi s vertikalnim zemljanim izmjenjivačima topline ne zahtijevaju područja velike površine i ne ovise o intenzitetu sunčevog zračenja na površini. Vertikalni zemljani izmjenjivači topline djeluju učinkovito u gotovo svim vrstama geoloških okruženja, osim na tlima niske toplinske vodljivosti, na primjer, suhom pijesku ili suhom šljunku. Vertikalni sustavi izmjenjivača topline tla vrlo su rašireni.

Opskrba grijanjem i toplom vodom jednoobiteljske stambene zgrade pomoću instalacije toplinske pumpe s vertikalnim izmjenjivačem topline tla prikazana je na Sl. 5.

Sl. 5. Shema grijanja i opskrbe toplom vodom obiteljske stambene zgrade pomoću instalacije toplinske pumpe s vertikalnim izmjenjivačem topline tla

Rashladno sredstvo cirkulira kroz cijevi (najčešće polietilen ili polipropilen) postavljene u okomite jažice s dubinom od 50 do 200 m. Obično se koriste dvije vrste vertikalnih zemljanih izmjenjivača topline (sl. 6):

• Izmjenjivač topline u obliku slova U, koji su na dnu povezane dvije paralelne cijevi. Jedan ili dva (rijetko tri) para takvih cijevi nalaze se u jednom bunaru. Prednost takve sheme je relativno nizak trošak proizvodnje. Dupli izmjenjivači topline u obliku slova U najčešće su korišteni tipovi vertikalnih zemljanih izmjenjivača topline u Europi.
• Koaksijalni (koncentrični) izmjenjivač topline. Najjednostavniji koaksijalni izmjenjivač topline sastoji se od dvije cijevi različitog promjera. Manja cijev nalazi se unutar druge cijevi. Koaksijalni izmjenjivači topline mogu biti složenije konfiguracije.

Sl. 6. Presjek raznih vrsta vertikalnih izmjenjivača topline tla

Da biste povećali učinkovitost izmjenjivača topline, prostor između zidova bušotine i cijevi ispunjen je posebnim materijalima za provođenje topline.

Sustavi s vertikalnim zemljanim izmjenjivačima topline mogu se koristiti za opskrbu toplinom i hladnoćom u zgradama različitih veličina. Za malu zgradu dovoljan je jedan izmjenjivač topline; velike zgrade mogu zahtijevati izgradnju cijele grupe bunara s vertikalnim izmjenjivačima topline. Najveći broj bušotina na svijetu koristi se u sustavu grijanja i hlađenja College Stockton College u Sjedinjenim Državama u New Jerseyju. Vertikalni zemaljski izmjenjivači topline nalaze se u 400 bušotina s dubinom od 130 m. U Europi se najveći broj bušotina (154 bušotina s dubinom od 70 m) koristi u sustavu opskrbe toplinom i hladnoćom u središnjem uredu njemačke Službe za kontrolu zračnog prometa (Deutsche Flug-sicherung).

Poseban je slučaj vertikalnih zatvorenih sustava upotreba građevinskih konstrukcija kao izmjenjivača topline tla, na primjer, temeljni piloti s monolitnim cjevovodima. Presjek takve hrpe s tri konture tla izmjenjivača topline prikazan je na Sl. 7.

Sl. 7. Dijagram monolitnih izmjenjivača topline tla u temeljnim gomilama zgrade i presjek takvih pilota

Podzemna masa (u slučaju vertikalnih zemljanih izmjenjivača topline) i građevne građevine s zemaljskim izmjenjivačima topline mogu se koristiti ne samo kao izvor, već i kao prirodni akumulator toplinske energije ili „hladnoće“, na primjer, topline od sunčevog zračenja.

Postoje sustavi kojima se ne može nedvosmisleno pripisati otvoreni ili zatvoreni. Na primjer, isti duboki (od 100 do 450 m dubine) dobro napunjen vodom može biti proizvodni ili ubrizgavajući. Promjer bušotine obično je 15 cm. Na dnu bušotine postavlja se crpka, kroz koju se voda iz bušotine dovodi do isparivača toplinske pumpe. Vratna voda vraća se na vrh vodenog stupca u isti bunar. Bunar se stalno nadopunjuje podzemnom vodom, a otvoreni sustav djeluje poput zatvorenog. Sustavi ove vrste u engleskoj se literaturi nazivaju „stand-well well well system“ (Sl. 8).

Sl. 8. Shema bušotine tipa „bunar za stajanje“

Obično se bunari ove vrste koriste i za opskrbu zgrade pitkom vodom., Međutim, takav sustav može djelotvorno raditi samo na tlima koja osiguravaju stalno ponovno punjenje bušotine vodom, što sprečava njegovo smrzavanje. Ako je vodonosnik previše dubok, za normalno funkcioniranje sustava potrebna će snažna pumpa, koja zahtijeva povećanu potrošnju energije. Velika dubina bušotine uzrokuje prilično visoke troškove takvih sustava, pa se oni ne koriste za opskrbu toplinom i hladnoćom malih zgrada. Sada u svijetu postoji nekoliko takvih sustava u SAD-u, Njemačkoj i Europi.

Jedno od perspektivnih područja je upotreba vode iz rudnika i tunela kao izvora niskokvalitetne toplinske energije. Temperatura ove vode je konstantna tijekom cijele godine. Voda iz rudnika i tunela lako je dostupna.

„Održivost“ nisko-potencijalne topline zemaljskih sustava

Tijekom rada izmjenjivača topline tla može doći do situacije kada se tijekom sezone grijanja temperatura tla u blizini izmjenjivača topline tla smanji, a ljeti se tlo nema vremena zagrijati na početnu temperaturu - njegov se temperaturni potencijal smanjuje. Potrošnja energije tijekom sljedeće sezone grijanja uzrokuje još veći pad temperature tla, a njezin se temperaturni potencijal dodatno smanjuje. Prisiljava se prilikom dizajniranja sustava korištenje nisko potencijalne topline Zemlje  razmotrimo održivost takvih sustava. Često se energetski resursi koriste vrlo intenzivno kako bi se smanjilo razdoblje povrata opreme, što može dovesti do njihovog brzog iscrpljivanja. Stoga je potrebno održavati takav nivo proizvodnje energije koji bi omogućio dugoročno iskorištavanje izvora energije. Ova sposobnost sustava da duže vrijeme održavaju potrebnu razinu proizvodnje toplinske energije naziva se „održivost“. Za sustave niskog potencijala upotrebe zemaljska toplina  dana je sljedeća definicija održivosti: „Za svaki sustav korištenja nisko-potencijalne topline Zemlje i za svaki način rada ovog sustava postoji određena maksimalna razina proizvodnje energije; proizvodnja energije ispod ove razine može se dugo održavati (100–300 godina). ”

Zadržao se OJSC "INSOLAR-INVEST" Studije su pokazale da potrošnja toplinske energije iz mase tla na kraju sezone grijanja uzrokuje smanjenje temperature tla u blizini registra cijevi za prikupljanje topline, što u tlo i klimatskim uvjetima većine Rusije nema vremena nadoknaditi u ljetnoj sezoni, a tlo napušta početkom sljedeće sezone grijanja sa smanjenim temperaturnim potencijalom. Potrošnja toplinske energije tijekom sljedeće sezone grijanja uzrokuje daljnje smanjenje temperature tla, a do početka treće sezone grijanja njegov se temperaturni potencijal još više razlikuje od prirodnog. I tako dalje. Međutim, ovojnice toplinskog učinka dugotrajnog rada sustava za prikupljanje topline na prirodnu temperaturu tla su očigledno eksponencijalne, a do pete godine rada, tlo ulazi u novi režim blizu periodičnog, odnosno, počevši od pete godine rada, dugoročno trošenje toplinske energije iz mase tla sustav prikupljanja topline popraćen je povremenim promjenama njegove temperature. Dakle, pri dizajniranju sustavi grijanja s toplinskom pumpom  čini se nužnim uzeti u obzir pad temperature tla tla uzrokovan dugotrajnim radom sustava za prikupljanje topline, te koristiti temperaturu tla tla koja se očekuje u 5. godini rada TST-a kao izračunate parametre.

U kombiniranim sustavimaupotrebljava se i za opskrbu toplinom i hladnoćom, toplinski balans postavlja se "automatski": zimi (potrebno je opskrba toplinom), masa tla se hladi, ljeti (potrebna je hladna opskrba) - zagrijavanje tla tla. U sustavima koji koriste niskokvalitetnu toplinu podzemne vode stalno se nadopunjava vodna rezerva zbog prodiranja vode s površine i vode koja dolazi iz dubljih slojeva tla. Stoga se sadržaj topline podzemne vode povećava i „odozgo“ (zbog topline atmosferskog zraka) i „odozdo“ (zbog topline Zemlje); količina unosa topline „iznad” i „ispod” ovisi o debljini i dubini vodonosnika. Zbog ovih unosa topline, temperatura podzemne vode ostaje konstantna tijekom cijele sezone i malo se mijenja tijekom rada.

U sustavima s vertikalnim zemljanim izmjenjivačima topline situacija je drugačija. Kad se ukloni toplina, temperatura tla oko izmjenjivača topline tla smanjuje se. Na smanjenje temperature utječu i konstrukcijske značajke izmjenjivača topline i način rada. Na primjer, u sustavima s visokim vrijednostima toplinske energije (nekoliko desetaka vata po metru duljine izmjenjivača topline) ili u sustavima s prizemnim izmjenjivačem topline smještenim u tlu niske toplinske vodljivosti (na primjer, u suhom pijesku ili suhom šljunku), pad temperature bit će posebno uočljiv i može dovesti do smrzavanje tla oko tla izmjenjivača topline.

Njemački stručnjaci izmjerili su temperaturu tla tla u kojoj se nalazi vertikalni izmjenjivač topline tla s dubinom od 50 m, koji se nalazi u blizini Frankfurta na Majni. Da biste to učinili, oko glavnog bušotine izbušeno je 9 bušotina iste dubine na udaljenosti od 2,5, 5 i 10 m od izvora. U svih deset bušotina ugrađeni su senzori na svaka 2 m za mjerenje temperature - ukupno 240 senzora. U fig. Na slici 9 prikazani su dijagrami koji prikazuju raspodjelu temperature u masi tla oko vertikalnog izmjenjivača topline tla na početku i na kraju prve sezone grijanja. Na kraju sezone grijanja vidljivo je smanjenje temperature tla oko izmjenjivača topline. Postoji tok topline usmjeren prema izmjenjivaču topline iz okolnog masiva tla, što djelomično nadoknađuje smanjenje temperature tla uzrokovane "toplinom". Veličina tog fluksa u usporedbi s magnitudom toplinskog toka iz zemljanih utroba na ovom području (80-100 mW / m²) procjenjuje se prilično visokim (nekoliko vata po kvadratnom metru).

Sl. 9. Dijagrami raspodjele temperature u masi tla oko vertikalnog izmjenjivača topline tla na početku i na kraju prve sezone grijanja

Budući da su vertikalni izmjenjivači topline počeli dobivati \u200b\u200brelativno široku distribuciju prije otprilike 15–20 godina, diljem svijeta nedostaje eksperimentalnih podataka dobivenih tijekom dugog (nekoliko desetaka godina) života sustava s izmjenjivačima topline ove vrste. Postavlja se pitanje stabilnosti ovih sustava, njihove pouzdanosti tijekom dugih razdoblja rada. Je li niskokvalitetna toplina Zemlje obnovljivi izvor energije? Koje je razdoblje "obnove" ovog izvora?

Pri upravljanju ruralnom školom u regiji Yaroslavl opremljena je sustav toplinske pumpeU vertikalnom izmjenjivaču topline tla prosječne vrijednosti uklanjanja topline bile su na razini od 120-190 W / pog. m duljina izmjenjivača topline.

Od 1986. u Švicarskoj u blizini Züricha provode se studije sustava s vertikalnim zemljanim izmjenjivačima topline. U masivu tla postavljen je koaksijalni vertikalni izmjenjivač topline tla dubine 105 m. Taj izmjenjivač topline korišten je kao izvor niske potencijalne toplinske energije za sustav toplinskih crpki instaliran u jednoj obiteljskoj stambenoj zgradi. Okomiti izmjenjivač topline tla pružao je maksimalnu snagu od oko 70 W po metru duljine, što je stvorilo značajno toplinsko opterećenje okolne mase tla. Godišnja proizvodnja toplinske energije je oko 13 MWh

Na udaljenosti od 0,5 i 1 m od glavne bušotine izbušene su dvije bušotine u koje su ugrađeni senzori temperature na dubini 1, 2, 5, 10, 20, 35, 50, 65, 85 i 105 m, nakon čega su bunari napunjeni glina-cementna smjesa. Temperatura je izmjerena svakih trideset minuta. Osim temperature tla, zabilježeni su i drugi parametri: brzina rashladne tekućine, potrošnja energije pogona kompresora toplinske pumpe, temperatura zraka itd.

Prvo razdoblje promatranja trajalo je od 1986. do 1991. godine. Mjerenja su pokazala da se utjecaj topline iz vanjskog zraka i sunčevog zračenja opaža u površinskom sloju tla do dubine od 15 m. Ispod te razine toplinski režim tla nastaje uglavnom zbog topline zemljine unutrašnjosti. Prve 2-3 godine rada masa maseoko vertikalnog izmjenjivača topline naglo se smanjio, međutim, pad temperature je svake godine padao, a nakon nekoliko godina sustav je dostigao režim blizu konstante kada je temperatura tla oko izmjenjivača topline bila za 1-2 oC niža od početne.

U jesen 1996., deset godina nakon početka rada sustava, mjerenja su nastavljena. Ta mjerenja pokazala su da se temperatura tla nije značajno promijenila. U sljedećim godinama zabilježene su neznatne fluktuacije temperature tla unutar 0,5 stupnjeva C, ovisno o godišnjem opterećenju grijanja. Tako je sustav ušao u kvazi-stacionarni mod nakon prvih nekoliko godina rada.

Na temelju eksperimentalnih podataka izgrađeni su matematički modeli procesa koji se događaju u zemljišnoj masi, što je omogućilo dugoročnu prognozu promjena temperature tla tla.

Matematičko modeliranje pokazalo je da će se godišnje smanjenje temperature postupno smanjivati, a volumen tla zemlje oko izmjenjivača topline, podložan nižim temperaturama, svake će se godine povećavati. Na kraju operativnog razdoblja započinje proces regeneracije: temperatura tla počinje rasti. Priroda procesa regeneracije slična je prirodi procesa "odabira" topline: u prvim godinama rada dolazi do oštrog porasta temperature tla, a u sljedećim godinama stopa porasta temperature opada. Trajanje razdoblja „regeneracije“ ovisi o trajanju razdoblja rada. Ta su dva razdoblja približno ista. U ovom je slučaju razdoblje rada tlačnog izmjenjivača topline bilo trideset godina, a razdoblje „regeneracije“ također se procjenjuje na trideset godina.

Stoga su sustavi opskrbe toplinom i hladnoćom zgrada koji koriste nekvalitetnu toplinu Zemlje pouzdan izvor energije koji se može koristiti svuda. Ovaj se izvor može koristiti dovoljno dugo, a može se obnoviti na kraju operativnog razdoblja.

književnost

1. Rybach L. Status i perspektive geotermalnih toplinskih pumpi u Europi i svijetu; aspekti održivosti stakleničkih plinova. Međunarodni tečaj geotermalnih toplinskih pumpi, 2002

2. Vasiliev G.P., Krundyshev N.S. Energetski učinkovita ruralna škola u regiji Yaroslavl. ABOK br. 5, 2002

3. Sanner B. Izvori topline tla za toplinske pumpe (klasifikacija, karakteristike, prednosti). 2002

4. Rybach L. Status i perspektive geotermalnih toplinskih crpki (GHP) u Europi i svijetu; aspekti održivosti stakleničkih plinova. Međunarodni tečaj geotermalnih toplinskih pumpi, 2002

5. Radna skupina ORKUSTOFNUN, Island (2001): Održiva proizvodnja geotermalne energije - predložena definicija. Vijesti IGA-e br. 43, siječanj-ožujak 2001., 1-2

6. Rybach L., Sanner B. Sustavi toplinske crpke podzemnih izvora - europsko iskustvo. GeoHeat - centar bika. 21/1, 2000

7. Ušteda energije s rezidencijalnim toplinskim pumpama u hladnoj klimi. Maxi brošura 08. CADDET, 1997

8. Analiza toplotne pumpe s jednom apsorpcijom pritiska u Atkinson Schaefer L. Disertacija predstavljena na Akademskom fakultetu. Georgia Institute of Technology, 2000

9. Morley T. Obrnuti toplinski motor kao sredstvo za grijanje zgrada, Inženjer 133: 1922

10. Fearon J. Povijest i razvoj toplinske pumpe, hlađenja i klimatizacije. 1978

11. Vasiliev G.P. Energetski učinkovite zgrade sa sustavima grijanja s toplinskom pumpom. Časopis za stanovanje i komunalne usluge, br. 12, 2002

12. Smjernice za uporabu toplinskih pumpi koje koriste sekundarne energetske resurse i netradicionalne obnovljive izvore energije. Moskomarkhitektura. Državno jedinstveno poduzeće "NIAC", 2001

13. Energetski učinkovita stambena zgrada u Moskvi. ABOK br. 4, 1999

14. Vasiliev G.P. Energetski učinkovita eksperimentalna stambena zgrada u mikro četvrti Nikulino-2. ABOK broj 4, 2002

Kirill Degtyarev, istraživač, Moskovsko državno sveučilište M. V. Lomonosov.

U našoj zemlji, bogatoj ugljikovodicima, geotermalna energija je egzotičan resurs koji u današnjoj situaciji vjerojatno neće konkurirati nafti i plinu. Ipak, ovaj alternativni oblik energije može se koristiti gotovo svugdje i prilično učinkovito.

Fotograf Igor Konstantinov.

Promjena temperature tla s dubinom.

Rast temperature termalnih voda i suhih stijena koje ih zatvaraju s dubinom.

Temperatura se mijenja s dubinom u različitim regijama.

Erupcija islandskog vulkana Eyyafyatlayokudl - ilustracija nasilnih vulkanskih procesa koji se odvijaju u aktivnim tektonskim i vulkanskim zonama s snažnim protokom topline iz utrobe zemlje.

Instalirani kapacitet geotermalnih elektrana u zemljama svijeta, MW.

Raspodjela geotermalnih resursa u Rusiji. Rezerve geotermalne energije prema riječima stručnjaka nekoliko su puta veće od energetskih rezervi organskih fosilnih goriva. Prema udruzi "Društvo geotermalne energije".

Geotermalna energija je toplina zemljine unutrašnjosti. Proizvodi se u dubinama i ulazi u Zemljinu površinu u različitim oblicima i različitom intenzitetu.

Temperatura gornjih slojeva tla uglavnom ovisi o vanjskim (egzogenim) faktorima - sunčevoj rasvjeti i temperaturi zraka. Ljeti i danju tlo se zagrijava do određenih dubina, a zimi i noću hladi se nakon promjene temperature zraka i s nekim zaostajanjem, povećavajući se s dubinom. Utjecaj dnevnih oscilacija temperature zraka završava na dubinama od jedinica do nekoliko desetaka centimetara. Sezonske vibracije zahvaćaju dublje slojeve tla - do nekoliko desetaka metara.

Na određenoj dubini - od desetaka do stotina metara - temperatura tla se održava konstantnom, jednakom prosječnoj godišnjoj temperaturi zraka na površini Zemlje. To se lako može provjeriti spuštanjem u prilično duboku špilju.

Kada je prosječna godišnja temperatura zraka na određenom području ispod nule, to se očituje kao permafrost (točnije, višegodišnji). U Istočnom Sibiru debljina, tj. Debljina cjelogodišnjih smrznutih tla na nekim mjestima doseže 200-300 m.

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

Zagrijavanje dubokih slojeva Zemlje uglavnom je povezano s propadanjem radioaktivnih elemenata koji se nalaze tamo, iako se nazivaju i drugi izvori topline, na primjer, fizikalno-kemijski, tektonski procesi u dubokim slojevima zemljine kore i plašta. No što god to moglo biti, temperatura stijena i pridružene tekuće i plinovite tvari povećavaju se s dubinom. Rudari se suočavaju s ovom pojavom - u dubokim rudnicima je uvijek vruće. Na dubini od 1 km trideset stupnjeva vrućina je normalna, a dublje temperatura je još viša.

Protok topline Zemljine unutrašnjosti, koji doseže Zemljinu površinu, mali je - u prosjeku je njegova snaga 0,03-0,05 W / m 2,
ili oko 350 W · h / m 2 godišnje. U pozadini toplinskog toka sa Sunca i zraka koji ga zagrijava, to je neprimjetna količina: Sunce daje svakom kvadratnom metru zemljine površine oko 4000 kWh godišnje, to jest 10 000 puta više (naravno, to je u prosjeku, s ogromnim širenjem između polarnih i ekvatorijalnih širina a ovisno o ostalim klimatskim i vremenskim čimbenicima).

Neznačajnost toplinskog toka iz utroba do površine u većem dijelu planete povezana je s niskom toplinskom vodljivošću stijena i značajkama geološke strukture. Ali postoje iznimke - mjesta na kojima je protok topline velik. To su prije svega zone tektonskih rasjeda, pojačana seizmička aktivnost i vulkanizam, gdje energija zemljine unutrašnjosti pronalazi izlaz. Takve zone karakteriziraju toplotne anomalije litosfere, pri čemu toplinski tok koji doseže Zemljinu površinu može biti nekoliko puta ili čak redoslijed jači od „običnog“. Ogromna količina topline na površini u tim zonama provodi se vulkanskim erupcijama i vrućim izvorima vode.

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

Istovremeno, razvoj geotermalne energije moguć je gotovo svugdje, budući da je porast temperature s dubinom univerzalni fenomen, a zadatak je „izdvajati“ toplinu iz crijeva, slično onome kako se odatle crpe mineralne sirovine.

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

Uzajamna je geotermalna faza, odnosno interval dubina, na kojem se temperatura povećava za 1 oko C.

Što je gradijent veći, a samim tim i niži stepen, to se toplina dubine Zemlje bliži površini i ovo je područje obećavajuće za razvoj geotermalne energije.

U različitim područjima, ovisno o geološkoj strukturi i drugim regionalnim i lokalnim uvjetima, brzina porasta temperature s dubinom može se dramatično razlikovati. Na Zemljinoj skali fluktuacije u vrijednostima geotermalnih gradijenata i koraka dosežu 25 puta. Na primjer, u Oregonu (SAD) nagib je 150 ° C na 1 km, a u Južnoj Africi - 6 ° C na 1 km.

Pitanje je, koja je temperatura na velikim dubinama - 5, 10 km ili više? Dok se održava trend, temperatura na dubini od 10 km trebala bi prosječno iznositi oko 250-300 ° C. To se više ili manje potvrđuje izravnim opažanjima u super dubokim bušotinama, iako je slika mnogo složenija od linearnog porasta temperature.

Primjerice, u superdublju Kole, izbušenom 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 10 km - 180 ° C, a na 12 km - 220 ° C.

Drugi primjer je bunar postavljen u sjevernom kaspijskom regionu, gdje je na dubini od 500 m temperatura 42 oS, na 1,5 km - 70 o S, na 2 km - 80 o S, na 3 km - 108 o S.

Pretpostavlja se da se geotermalni gradijent smanjuje počevši od dubine od 20-30 km: na dubini od 100 km očekivane temperature su oko 1300-1500 o S, na dubini od 400 km - 1600 o S, u zemljinoj jezgri (dubine preko 6000 km) - 4000-5000 o S.

Na dubinama do 10-12 km mjeri se temperatura kroz izbušene bušotine; tamo gdje ne postoje, određuje se neizravnim osobinama na isti način kao i na većim dubinama. Takvi neizravni znakovi mogu biti priroda prolaska seizmičkih valova ili temperatura izlivene lave.

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

Na dubini od nekoliko kilometara ima puno topline, ali kako je podići? Ponekad sama priroda taj problem rješava za nas pomoću prirodne rashladne tekućine - grijane termalne vode koja izlazi na površinu ili leži na dubini koja nam je dostupna. U nekim slučajevima voda se u dubini zagrijava do stanja pare.

Ne postoji stroga definicija termina „termalnih voda“. U pravilu, oni podrazumijevaju vruću podzemnu vodu u tekućem stanju ili u obliku pare, uključujući one koje dođu do površine Zemlje s temperaturom iznad 20 ° C, koja je u pravilu viša od temperature zraka.

Toplina smjese podzemnih voda, para, vode i vode je hidrotermalna energija. Prema tome, energija koja se temelji na njegovoj upotrebi naziva se hidrotermalna.

Situacija je složenija s proizvodnjom topline izravno iz suhih stijena - petrotermalna energija, pogotovo jer dovoljno visoke temperature u pravilu polaze s dubine od nekoliko kilometara.

U Rusiji je potencijal petrotermalne energije sto puta veći od hidrotermalne energije - 3500, odnosno 35 trilijuna tona standardnog goriva. To je sasvim prirodno - toplina dubina Zemlje je svugdje, a termalne vode se otkrivaju lokalno. No, zbog očiglednih tehničkih poteškoća, termalne vode se trenutno koriste za proizvodnju topline i električne energije.

Voda s temperaturom od 20-30 do 100 ° C pogodna je za grijanje, temperaturu od 150 ° C i više - i za proizvodnju električne energije u geotermalnim elektranama.

Općenito, geotermalni resursi u Rusiji u smislu tona standardnog goriva ili bilo koje druge jedinice energije oko 10 puta su veći od rezervi fosilnih goriva.

Teoretski, samo zahvaljujući geotermalnoj energiji bilo bi moguće u potpunosti zadovoljiti energetske potrebe zemlje. U praksi, u ovom trenutku, na većem dijelu svog područja to 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 aktivnom tektonskom i vulkanskom pojasu. Vjerojatno se svi sjećaju snažne erupcije vulkana Eyjafjallajökull u 2010. godini.

Zahvaljujući toj geološkoj specifičnosti Island ima ogromne rezerve geotermalne energije, uključujući vruće izvore koji dosežu površinu Zemlje, pa čak i dobacuju u obliku gejzira.

Na Islandu je više od 60% sve potrošene energije preuzeto sa Zemlje. Uključujući zbog geotermalnih izvora, osigurano je 90% grijanja i 30% proizvodnje električne energije. Dodajmo kako se ostatak električne energije u zemlji proizvodi u hidroelektranama, odnosno koristeći obnovljivi izvor energije, što Island čini kao svojevrsni globalni ekološki standard.

"Ukročivanje" geotermalne energije u 20. stoljeću vidljivo je pomoglo Islandu u ekonomskom smislu. Do sredine prošlog stoljeća bila je to vrlo siromašna zemlja, sada je na prvom mjestu u svijetu po instaliranom kapacitetu i proizvodnji geotermalne energije po glavi stanovnika i nalazi se u prvih deset po apsolutnoj vrijednosti instaliranog kapaciteta geotermalnih elektrana. Međutim, njegovo stanovništvo iznosi samo 300 tisuća ljudi, što pojednostavljuje zadatak prelaska na ekološki prihvatljive izvore energije: potrebe za tim općenito su male.

Osim Islanda, visoki udio geotermalne energije u ukupnoj bilanci proizvodnje električne energije osiguran je na Novom Zelandu i otočnim državama jugoistočne Azije (Filipini i Indonezija), Srednjoj Americi i Istočnoj Africi, čije se teritorij također odlikuje velikom seizmičkom i vulkanskom aktivnošću. Za ove zemlje geotermalna energija svojim trenutnim stupnjem razvoja i potrebama daje značajan doprinos društveno-ekonomskom razvoju.

(Završetak slijedi.)

Najveća je poteškoća izbjegavanje patogene mikroflore. A to je teško učiniti u zasićenom i toplom okruženju. Čak i najbolji podrumi uvijek imaju plijesan. Stoga nam je potreban sustav redovito korištenog čišćenja cijevi od svake rupice koja se nakuplja na zidovima. A to učiniti s polaganjem od 3 metra nije tako jednostavno. Prije svega, dolazi na pamet mehanička metoda - četka. Kako očistiti dimnjake. Koristeći neku vrstu tekuće kemije. Ili na plin. Na primjer, ako pumpate fosgen kroz cijev, tada će sve umrijeti i za nekoliko mjeseci to će možda biti dovoljno. Ali bilo koji plin ulazi u kem. reakcija s vlagom u cijevi i, u skladu s tim, taloži se u njoj, što ga čini dulje vrijeme zrakom. Dugo prozračivanje dovest će do obnove patogena. Ovdje vam je potreban kompetentan pristup sa poznavanjem modernih sredstava za čišćenje.

  Općenito, potpisujem se pod svaku riječ! (Stvarno ne znam što bih ovdje uživao).

U ovom sustavu vidim nekoliko problema koje treba riješiti:

1. Je li duljina određenog izmjenjivača topline dovoljna za njegovu učinkovitu uporabu (neki će učinak biti neophodan, ali nije jasno koji)
  2. Kondenzacija. Zimi neće biti jer će se kroz cijev hladiti zrak. Kondenzat će pasti s vanjske strane cijevi - u zemlju (toplije je). Ali ljeti ... Problem je KAKO ispumpati kondenzat iz dubine od 3 m - Već sam razmišljao kako napraviti zapečaćeno dobro staklo na boku ulaza kondenzata kako bih prikupio kondenzat. Ugraditi pumpu u nju koja će povremeno ispumpati kondenzat ...
  3. Pretpostavlja se da su kanalizacijske cijevi (plastične) tijesne. Ako je tako, podzemna voda oko nje ne bi trebala prodirati prema unutra i ne bi trebala utjecati na vlažnost zraka. Stoga pretpostavljam da vlage (kao u podrumu) neće biti. Barem zimi. Mislim da je podrum mokar zbog loše prozračivanja. Kalup ne voli sunčevu svjetlost i propuhe (u cijevi će biti propuha). A sada je pitanje koliko su kanalizacijske cijevi u zemlji tesne? Koliko su stari za mene? Činjenica je da je ovaj projekt istodoban - rov se kopa za kanalizaciju (to će biti na dubini od 1-1,2 m), zatim izolacija (polistirenska pjena) i, što je sigurnije, zemljana baterija). To znači da ovaj sustav nije moguće popraviti tijekom uklanjanja pritiska - neću ga iskopati - samo sam ga stavio u zemlju i to je to.
4. Čišćenje cijevi. Na dnu sam pomislio da dobro obavim pregled. Iz ovog razloga je manje "intuicionizma" - podzemne vode - može se ispostaviti da će biti poplavljeno i ZERO neće biti od koristi. Bez bunara nema mnogo opcija:
   a. Izvode se revizije s obje strane (za svaku cijev od 110 mm), koja ulazi u površinu, u cijev se uvlači nehrđajući kabel. Za čišćenje pričvršćujemo kvach na njega. Minus - hrpa cijevi ulazi u površinu, što će utjecati na temperaturu i hidrodinamički rad baterije.
  b. periodično zalijte cijevi vodom izbjeljivačem, na primjer (ili drugim dezinficijensom), ispumpavajući vodu iz bunara za kondenzaciju na drugom kraju cijevi. Zatim sušite cijevi zrakom (po mogućnosti u istom načinu - od kuće do vani, mada mi se ta ideja ne sviđa).
  5. Neće biti plijesni (propuha). ali i drugi mikroorganizmi koji žive u piću - baš tako. Ima nade za zimski režim - hladan, suh zrak dobro dezinficira. Opcija zaštite je filter na ulazu u bateriju. Ili ultraljubičasto (skupo)
  6. Koliko je teško voziti zrak u takvom dizajnu?
   Ulazni filter (fina mreža)
   -\u003e skrenite za 90 stupnjeva dolje
   -\u003e 4m 200 mm cijev dolje
   -\u003e podjela potoka u 4 110 mm cijevi
   -\u003e 10 metara vodoravno
   -\u003e skrenite za 90 stupnjeva dolje
   -\u003e 1 metar dolje
   -\u003e rotacija za 90 stupnjeva
   -\u003e 10 metara vodoravno
   -\u003e sakupljanje protoka u 200 mm cijevi
   -\u003e 2 metra gore
   -\u003e skrenite za 90 stupnjeva (u kuću)
   -\u003e filter papir ili džep od tkanine
   -\u003e ventilator

Imamo 25m cijevi, 6 okreta 90 stupnjeva (okret se može učiniti glađe - 2x45), 2 filtera. Želim 300-400m3 / h. Brzina ~ 4m / s

Opis:

Nasuprot "izravnoj" upotrebi visoko-potencijalne geotermalne topline (hidrotermalni resursi), upotreba tla s površinskih slojeva Zemlje kao izvora nisko-potencijalne toplinske energije za sustave opskrbe geotermalnom toplinskom pumpom (GSTS) moguća je gotovo svugdje. Trenutno je u svijetu jedno od najdinamičnijih područja u razvoju za upotrebu netradicionalnih obnovljivih izvora energije.

Geotermalni sustavi grijanja s toplinskom pumpom i učinkovitost njihove uporabe u klimatskim uvjetima Rusije

G. P. Vasiliev, Znanstveni direktor INSOLAR-INVEST OJSC

Nasuprot "izravnoj" upotrebi visoko-potencijalne geotermalne topline (hidrotermalni resursi), upotreba tla s površinskih slojeva Zemlje kao izvora nisko-potencijalne toplinske energije za sustave opskrbe geotermalnom toplinskom pumpom (GSTS) moguća je gotovo posvuda. Trenutno je u svijetu jedno od najdinamičnijih područja u razvoju za upotrebu netradicionalnih obnovljivih izvora energije.

Tlo površinskih slojeva Zemlje zapravo je akumulator topline neograničene snage. Toplinski režim tla nastaje pod utjecajem dva glavna faktora - incidenta na površini sunčevog zračenja i protoka radiogene topline iz utrobe zemlje. Sezonske i dnevne promjene intenziteta sunčevog zračenja i temperature vanjskog zraka uzrokuju fluktuacije temperature u gornjim slojevima tla. Dubina prodora dnevne fluktuacije temperature vanjskog zraka i intenziteta sunčevog zračenja, ovisno o specifičnim tla i klimatskim uvjetima, kreću se od nekoliko desetaka centimetara do jednog i pol metra. Dubina prodora sezonskih fluktuacija temperature vanjskog zraka i intenziteta sunčevog zračenja, u pravilu, ne prelazi 15–20 m.

Toplinski režim slojeva tla smještenih ispod ove dubine („neutralna zona“) nastaje pod utjecajem toplinske energije koja dolazi iz Zemljinih utroba i praktički ne ovisi o sezonskim, a još većim dnevnim promjenama parametara vanjske klime (sl. 1). S povećanjem dubine, temperatura tla se također povećava u skladu s geotermalnim gradijentom (približno 3 ° C na svakih 100 m). Jačina protoka radiogene topline koja dolazi iz crijeva zemlje varira za različita mjesta. U pravilu je ta vrijednost 0,05–0,12 W / m 2.

Slika 1

Tijekom rada GTST-a, masa tla koja se nalazi unutar zone pod utjecajem topline registra cijevi izmjenjivača topline tla nisko-potencijalnog sustava za skupljanje topline tla (sustav za skupljanje topline), kao rezultat sezonskih promjena vanjske klime, kao i pod utjecajem operativnih opterećenja na sustav za skupljanje topline, obično je podvrgnuta opetovanom smrzavanju i topi. U ovom slučaju, prirodno, dolazi do promjene agregacije vlage koja se nalazi u porama tla i koja se nalazi u općenitom slučaju istovremeno u tekućoj i čvrstoj i plinovitoj fazi. Štoviše, u kapilarno-poroznim sustavima, koja je masa tla u sustavu za prikupljanje topline, prisutnost vlage u poranom prostoru ima vidljiv učinak na proces distribucije topline. Ispravno računovodstvo ovog utjecaja danas je ispunjeno značajnim poteškoćama, koje su prije svega povezane s nedostatkom jasnih predodžbi o prirodi raspodjele krutih, tekućih i plinovitih faza vlage u jednoj ili drugoj strukturi sustava. Ako postoji temperaturni gradijent u debljini mase tla, molekule vodene pare kreću se na mjesta s nižim temperaturnim potencijalom, ali istodobno, pod utjecajem gravitacijskih sila, dolazi do suprotnog usmjerenog protoka vlage u tekućoj fazi. Osim toga, na temperaturu gornjih slojeva tla utječe vlaga atmosferskih oborina, kao i podzemna voda.

Takozvanoj „informativnoj nesigurnosti“ matematičkih modela koji opisuju slične procese, ili, drugim riječima, nedostatak pouzdanih informacija o utjecaju okoliša (atmosfere i mase tla) koji se nalazi na toplinskom režimu sustava za prikupljanje topline tla kao konstrukcijskog objekta, također treba pripisati. izvan zone utjecaja topline tla izmjenjivača topline sustava za prikupljanje topline) i krajnje složenosti njihove aproksimacije. Doista, ako se približavanje utjecaja na sustav vanjske klime, iako složeno, ipak može ostvariti uz određene troškove „računarskog vremena“ i korištenja postojećih modela (na primjer, „tipična klimatska godina“), onda je problem uzimajući u obzir atmosferske učinke u modelu. utjecaji (rosa, magla, kiša, snijeg itd.), kao i aproksimacija toplinskog učinka na tlo mase sustava za prikupljanje topline donjih i okolnih slojeva tla, danas su praktički netopljivi i mogli bi twist predmet posebnih studija. Tako, na primjer, slabo poznavanje procesa formiranja filtracijskih podzemnih voda, njihovog režima brzine, kao i nemogućnost dobivanja pouzdanih podataka o toplinskim i vlažnim uvjetima slojeva tla ispod toplinske utjecajne zone tla izmjenjivača topline, značajno otežava zadatak konstruiranja ispravnog matematičkog modela toplinskog režima sustava nisko-potencijalnog prikupljanja topline. tlo.

Za prevladavanje opisanih poteškoća koje nastaju u projektiranju GTST-a mogu se preporučiti metoda matematičkog modeliranja toplinskog režima sustava za skupljanje topline tla stvorena i testirana u praksi, te metoda uzimanja u obzir faznih prijelaza vlage u pore-površini tlanog sloja sustava za skupljanje topline.

Suština metode sastoji se u razmatranju, prilikom konstruiranja matematičkog modela, razlike između dvaju zadataka: "osnovnog" problema, koji opisuje toplinski režim tla u njegovom prirodnom stanju (bez utjecaja tla izmjenjivača topline u sustavu za skupljanje topline), i problema koji se treba riješiti, a koji opisuje toplinski režim tla tla s toplotnim odvodnicima (izvori). Kao rezultat, metoda nam omogućuje da dobijemo rješenje za određenu novu funkciju, a to je funkcija utjecaja toplotnih sudopera na prirodni toplinski režim tla i jednake temperaturne razlike između mase tla u prirodnom stanju i mase tla s drenažama (izvori topline) - s prizemnim izmjenjivačem topline sustava skupljanja topline. Upotreba ove metode u konstrukciji matematičkih modela toplinskog režima sustava za prikupljanje topline niskog potencijala tla omogućila je ne samo zaobilaženje poteškoća povezanih s približavanjem vanjskih utjecaja na sustav prikupljanja topline, već i korištenje podataka o prirodnom toplinskom režimu tla, eksperimentalno dobivenim od vremenskih stanica u modelima. To vam omogućuje da djelomično uzmete u obzir cijeli kompleks faktora (poput prisutnosti podzemnih voda, njihove brzine i toplinskih režima, strukture i položaja slojeva tla, "toplinske" pozadine Zemlje, atmosferskih oborina, fazne transformacije vlage u poreznom prostoru i još mnogo toga) koji značajno utječu formiranje toplinskog režima sustava prikupljanja topline i zajedničko računovodstvo kojih je u strogoj izjavi problema praktički nemoguće.

Metoda obračuna dizajna GTF-a faznih prijelaza vlage u poranom prostoru tla tla temelji se na novom konceptu "ekvivalentne" toplinske vodljivosti tla, koji se određuje zamjenom problema toplinskog režima tlačnog cilindra smrznutog oko cijevi izmjenjivača topline tla s "ekvivalentnim" kvazistacionarnim problemom s bliskim temperaturnim poljem i istom granicom uvjeta, ali s različitom "ekvivalentnom" toplinskom vodljivošću.

Najvažniji zadatak koji se mora riješiti prilikom projektiranja geotermalnih sustava opskrbe toplinom za zgrade je detaljna procjena energetskog potencijala klime građevinskog područja i na temelju toga izrada zaključka o učinkovitosti i izvedivosti primjene jednog ili drugog dizajna GTST-a. Izračunate vrijednosti klimatskih parametara dane u trenutnim regulatornim dokumentima ne daju potpun opis vanjske klime, njezinu varijabilnost po mjesecima, a također u određenim razdobljima godine - grijanju, period pregrijavanja itd. Stoga, prilikom odlučivanja o temperaturnom potencijalu geotermalne topline, procjenjujući mogućnost njegove Za kombinaciju s drugim prirodnim izvorima topline niskog potencijala, procjenama njihove (izvora) temperature u godišnjem ciklusu, potrebno je privući cjelovitije klimatske faktore podaci koji se navode, na primjer, u Priručniku za klimu SSSR-a (L .: Gidromethioizdat. Issue 1–34).

Među takvim klimatskim informacijama u našem slučaju prije svega treba izdvojiti:

- podaci o prosječnoj mjesečnoj temperaturi tla na različitim dubinama;

- podaci o dolasku sunčevog zračenja na različito orijentirane površine.

U tablici. Slike 1-5 prikazuju podatke o prosječnim mjesečnim temperaturama tla na različitim dubinama u nekim gradovima Rusije. U tablici. Na slici 1. prikazane su prosječne mjesečne temperature tla u 23 grada Ruske Federacije na dubini od 1,6 m, što se čini najracionalnijim, sa stajališta temperaturnog potencijala tla i mogućnosti mehanizacije proizvodnje horizontalnih podzemnih izmjenjivača topline.

Tablica 1 Prosječne mjesečne temperature tla na dubini od 1,6 m za neke gradove u Rusiji

grad ja II III IV V VI VII VIII IX X XI XII Arkhangelsk 4,0 3,5 3,1 2,7 2,5 3,0 4,5 6,0 7,1 7,0 6,1 4,9 astraganski 7,5 6,1 5,9 7,3 11 14,6 17,4 19,1 19,1 16,7 13,6 10,2 Barnaul 2,6 1,7 1,2 1,4 4,3 8,2 11,0 12,4 11,6 9,2 6,2 3,9 Bratsk 0,4 -0,2 -0,6 -0,5 -0,2 0 3,0 6,8 7,2 5,4 2,9 1,4 Vladivostok 3,7 2,0 1,2 1,0 1,5 5,3 9,1 12,4 13,8 12,7 9,7 6,4 Irkutsk -0,8 -2,8 -2,7 -1,1 -0,5 -0,2 1,7 5,0 6,7 5,6 3,2 1,2 Komsomolsk    na Amuru 0,8 -0,4 -0,9 -0,4 0 1,9 6,7 10,5 11,3 9,0 5,5 2,7 Magadan -6,5 -8,0 -8,8 -8,7 -3,9 -2,6 -0,8 0,1 0,4 0,1 -0,2 -2,0 Moskva 3,8 3,2 2,7 3,0 6,2 9,6 12,1 13,4 12,5 10,1 7,3 5,0 Murmansk 0,7 0,3 0 -0,3 -0,3 0,2 4,0 6,7 6,6 4,2 2,7 1,0 Novosibirsk 2,1 1,2 0,6 0,5 1,3 5,0 9,1 11,3 10,9 8,8 5,8 3,6 Orenburg 4,1 2,6 1,9 2,2 4,9 8,0 10,7 12,4 12,6 11,2 8,6 6,0 trajna 2,9 2,3 1,9 1,6 3,4 7,2 10,5 12,1 11,5 9,0 6,0 4,0 Petropavlovsk    Kamchatsky 2,6 1,9 1,5 1,1 1,2 3,4 6,7 9,1 9,6 8,3 5,6 3,8 Rostov-na-Donu 8,0 6,6 5,9 6,8 9,9 12,9 15,5 17,3 17,5 15,8 13,0 10,0 Salekhard 1,6 1,0 0,7 0,5 0,4 0,9 3,9 6,8 7,1 5,6 3,5 2,3 Sočiju 11,2 9,8 9,6 11,0 13,4 16,2 18,9 20,8 21,0 19,2 16,8 13,5 Turuhansk 0,9 0,5 0,2 0 0 0,1 1,6 6,2 6,4 4,5 2,8 1,8 obilazak -0,9 -0,3 -5,2 -5,3 -3,2 -1,6 -0,7 1,2 2,0 0,7 0 -0,2 Whalen -6,9 -8,0 -8,6 -8,7 -6,3 -1,2 -0,4 0,1 0,2 0 -0,8 -3,7 Kabarovsk 0,3 -1,8 -2,3 -1,1 -0,4 2,5 9,5 13,3 13,5 10,9 6,7 3,0 Jakutsk -5,6 -7,4 -7,9 -7,0 -4,1 -1,8 0,3 1,5 1,1 0,1 -0,1 -2,4 Yaroslavl 2,8 2,2 1,9 1,7 3,9 7,8 10,7 12,4 11,5 9,5 6,3 3,9

Tablica 2 Temperatura tla u Stavropolu (tlo - černozem)

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

Tablica 3    Temperature tla u Yakutsku    (svilenkasta pjeskovita tla pomiješana s humusom, pijesak ispod)

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

Tablica 4 Temperature tla u Pskovu (dno, ilovnato tlo, podzemlje - glina)

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

Tablica 5 Temperatura tla u Vladivostoku (smeđa kamena, rastresito tlo)

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

Podaci predstavljeni u tablicama o prirodnom toku temperature tla na dubini do 3,2 m (to jest u „radnom“ sloju tla za GTST s horizontalnim rasporedom tla izmjenjivača topline) jasno ilustriraju mogućnost korištenja tla kao nisko-potencijalnog izvora topline. Razmjerno mali interval promjena temperature slojeva u Rusiji smještenih na istoj dubini je očit. Tako je, na primjer, minimalna temperatura tla na dubini od 3,2 m od površine u gradu Stavropolu 7,4 ° C, a u gradu Yakutsk - (–4,4 ° C); prema tome, interval temperature tla na određenoj dubini je 11,8 stupnjeva. Ova činjenica nam omogućava da računamo na stvaranje dovoljno unificirane opreme za toplinske crpke, pogodne za rad praktički u cijeloj Rusiji.

Kao što je vidljivo iz tablica, karakteristično svojstvo prirodnog temperaturnog režima tla je kašnjenje minimalne temperature tla u odnosu na vrijeme dolaska minimalne vanjske temperature. Minimalne vanjske temperature svuda se primjećuju u siječnju, minimalne temperature u tlu na dubini od 1,6 m u Stavropolu primjećuju se u ožujku, u Yakutsku u ožujku, u Sočiju u ožujku, u Vladivostoku u travnju , Dakle, očito je da se vremenom pojavljivanja minimalnih temperatura u tlu smanjuje opterećenje na sustavu opskrbe toplinskom pumpom (gubitak topline zgrade). Ovaj trenutak otvara prilično ozbiljne mogućnosti smanjenja instaliranog kapaciteta GTST-a (štedi kapitalne troškove) i mora se uzeti u obzir prilikom dizajniranja.

Da bi se procijenila učinkovitost primjene sustava za opskrbu toplinom geotermalne toplinske pumpe u klimatskim uvjetima Rusije, zoniranje teritorija Ruske Federacije provedeno je prema učinkovitosti korištenja nisko-potencijalne geotermalne topline za potrebe opskrbe toplinom. Zoniranje je provedeno na temelju rezultata numeričkih eksperimenata za simulaciju radnih uvjeta GTST-a u klimatskim uvjetima različitih regija Ruske Federacije. Brojčani eksperimenti provedeni su na primjeru hipotetičke dvokatnice s grijanom površinom od 200 m 2, opremljenom sustavom opskrbe geotermalnom toplinskom pumpom. Vanjske ogradne konstrukcije predmetne kuće imaju sljedeći smanjeni otpor prijenosa topline:

- vanjski zidovi - 3,2 m 2 h ° C / W;

- prozori i vrata - 0,6 m 2 h ° C / W;

- premazi i stropovi - 4,2 m 2 h ° C / W.

Prilikom provođenja numeričkih eksperimenata uzeto je u obzir:

- sustav za prikupljanje topline tla s niskom gustoćom potrošnje geotermalne energije;

- vodoravni sustav prikupljanja topline od polietilenskih cijevi promjera 0,05 m i duljine 400 m;

- sustav za prikupljanje topline tla s velikom gustoćom potrošnje geotermalne energije;

- vertikalni sustav prikupljanja topline iz jedne termalne bušotine promjera 0,16 m i duljine 40 m.

Studije su pokazale da potrošnja toplinske energije iz mase tla na kraju sezone grijanja uzrokuje pad temperature tla u blizini registra cijevi sustava za prikupljanje topline, što u tlo i klimatskim uvjetima većine Ruske Federacije nema vremena nadoknaditi u ljetnoj sezoni, a početkom sljedeće sezone grijanja tlo izlazi sa smanjenim temperaturnim potencijalom. Potrošnja toplinske energije tijekom sljedeće sezone grijanja uzrokuje daljnje smanjenje temperature tla, a do početka treće sezone grijanja njezin se temperaturni potencijal još više razlikuje od prirodnog. I tako dalje ... Međutim, ovojnice toplinskog učinka dugotrajnog rada sustava prikupljanja topline na prirodnu temperaturu tla imaju izražen eksponencijalni karakter, a do pete godine rada tlo ulazi u novi način, blizu periodičnog, to jest počevši od pete godine rada, dugotrajna potrošnja toplinske energije iz tla tla sustava za prikupljanje topline popraćena je povremenim promjenama njegove temperature. Dakle, pri zoniranju teritorija Ruske Federacije trebalo je uzeti u obzir pad temperature tla tla uzrokovan dugotrajnim radom sustava za prikupljanje topline, te koristiti temperaturu tla koja se očekuje u 5. godini rada GTS-a kao izračunate parametre temperature tla tla. S obzirom na ovu okolnost, tijekom regionalizacije teritorija Ruske Federacije prema učinkovitosti korištenja GSTC-a, kao kriterij za učinkovitost sustava za opskrbu geotermalnom toplinskom pumpom odabran je prosječni koeficijent transformacije topline K p tr, koji je omjer korisne toplinske energije proizvedene u GSTC-u i potrošnje energije na njegov pogon i definiran za idealan Carnotov termodinamički ciklus kako slijedi:

Za mp \u003d T o / (T o - T u), (1)

gdje je T o temperaturni potencijal topline uklonjene u sustav grijanja ili opskrbe toplinom, K;

T i - temperaturni potencijal izvora topline, K.

Koeficijent transformacije sustava opskrbe toplinskom pumpom K tr predstavlja omjer topline koja se koristi u sustavu opskrbe toplinom potrošača u odnosu na potrošenu energiju za rad plinske jedinice za toplinsku obradu i brojčano je jednaka količini toplinske topline primljene na temperaturama T o i T i po jedinici energije utrošene na sustav plinske toplinske crpke , Stvarni koeficijent transformacije razlikuje se od idealnog, opisanog formulom (1), vrijednošću koeficijenta h koja uzima u obzir stupanj termodinamičke savršenosti HSTC-a i nepovratne gubitke energije tijekom provođenja ciklusa.

Numerički eksperimenti provedeni su korištenjem programa stvorenog u INSOLAR-INVEST OJSC, kojim se utvrđuju optimalni parametri sustava prikupljanja topline ovisno o klimatskim uvjetima građevinskog područja, svojstvima toplinske zaštite zgrade, operativnim karakteristikama opreme za toplinske crpke, cirkulacijskim crpkama, uređajima za grijanje sustava grijanja, kao i njihovim načinima rada operacija. Program se temelji na prethodno opisanoj metodi za izgradnju matematičkih modela toplinskog režima sustava za prikupljanje topline niskog potencijala tla, koji su zaobišli poteškoće povezane s informativnom nesigurnošću modela i aproksimacijom vanjskih utjecaja uporabom eksperimentalno dobivenih podataka o prirodnom toplinskom režimu tla, koji djelomično omogućuje uzimati u obzir čitav kompleks faktora (poput prisutnosti podzemnih voda, njihove brzine i toplinskih režima, strukture i lokacije slojevi tla, "toplinska" pozadina Zemlje, atmosferske oborine, fazne transformacije vlage u poranom prostoru i još mnogo toga), koji značajno utječu na formiranje toplinskog režima sustava za prikupljanje topline, a zajedničko obračunavanje koje je u strogoj izjavi problema danas praktički nemoguće. Kao rješenje „osnovnog“ problema koristili smo podatke Priručnika za klimu SSSR-a (L .: Gidromethioizdat. Issue 1–34).

Program vam zapravo omogućava da riješite problem multiparametarske optimizacije GTST konfiguracije za određeno područje građevine i građevine. Istodobno, ciljna funkcija optimizacijskog zadatka su minimalni godišnji troškovi energije za rad GTS-a, a kriteriji za optimizaciju su polumjer cijevi izmjenjivača topline tla, njegova duljina i dubina (izmjenjivač topline).

Rezultati numeričkih pokusa i zoniranja teritorija Rusije o učinkovitosti korištenja nisko-potencijalne geotermalne topline za opskrbu toplinom zgrade prikazani su u grafičkom obliku na Sl. 2-9.

U fig. Na slici 2 prikazane su vrijednosti i izolini koeficijenta transformacije geotermalnih sustava za opskrbu toplinskom pumpom s vodoravnim sustavima prikupljanja topline, a Sl. 3 - za GTST s vertikalnim sustavima za prikupljanje topline. Kao što se vidi iz slika, maksimalne vrijednosti K r mp 4,24 za vodoravne sustave prikupljanja topline i 4,14 za vertikalne mogu se očekivati \u200b\u200bna jugu Rusije, a minimalne vrijednosti, 2,87, odnosno 2,73 na sjeveru, u Uelenu. Za središnju Rusiju, vrijednosti K p tr za vodoravne sustave skupljanja topline kreću se u rasponu 3,4-3,6, a za vertikalne sustave u rasponu 3,2–3,4. Privlače se prilično visoke vrijednosti K p tr (3,2–3,5) za regije Dalekog Istoka i područja s tradicionalno teškim uvjetima opskrbe gorivom. Očito je Daleki Istok prioritetna primjena GTST-a.

U fig. Na slici 4 prikazane su vrijednosti i izolini specifične godišnje potrošnje energije za pogon „horizontalnog“ GTST + PD (vršak bliže), uključujući potrošnju energije za grijanje, ventilaciju i dovod tople vode, smanjene na 1 m 2 grijanog područja, i na slici 2. 5 - za GTST s vertikalnim sustavima za prikupljanje topline. Kao što se vidi iz slika, godišnja specifična potrošnja energije za pogon horizontalne elektrane na plinske turbine, smanjena na 1 m 2 grijane površine zgrade, varira od 28,8 kW h / (godina m 2) na jugu Rusije do 241 kW h / (godina m 2) u Jakutsk, a za vertikalni GTST, od 28,7 kWh / / (godina m 2) na jugu i do 248 kWh / / (godina m 2) u Jakutsku. Ako množimo vrijednost godišnje specifične potrošnje energije prikazane na brojkama za određeni lokalitet vožnje GTS-om, a vrijednost za taj lokalitet K p tr, umanjena za 1, dobivamo količinu energije koju GTS uštedi s 1 m 2 grijane površine godišnje. Na primjer, za Moskvu za vertikalni GTST ta vrijednost će iznositi 189,2 kWh od 1 m 2 godišnje. Za usporedbu možemo navesti vrijednosti specifične potrošnje energije utvrđene moskovskim standardima za uštedu energije MGSN 2.01–99 za niskogradnje na razini od 130, a za visokogradnje 95 kWh / (godina m 2). Istodobno, potrošnja energije standardizirana u MGSN 2.01–99 uključuje samo troškove energije za grijanje i ventilaciju, u našem slučaju troškovi energije uključuju troškove energije za opskrbu toplom vodom. Činjenica je da postojeći pristup procjeni troškova energije za rad zgrade koji postoji u sadašnjim standardima raspodjeljuje troškove energije za grijanje i ventilaciju zgrade, kao i troškove energije za njenu toplu vodu u posebnim člancima. Istovremeno, troškovi energije za opskrbu toplom vodom nisu standardizirani. Čini se da ovaj pristup nije točan, jer troškovi energije za opskrbu toplom vodom često su proporcionalni troškovima energije za grijanje i ventilaciju.

U fig. Na slici 6. prikazane su vrijednosti i konture racionalnog omjera toplinske snage vršnog zatvarača (PD) i instalirane električne snage horizontalnog GTS-a u dijelovima jedinice, a Sl. 7 - za GTST s vertikalnim sustavima sakupljanja topline. Kriterij za racionalan omjer toplinske snage vrha bliže i instalirane električne snage GTST (bez PD) bio je minimalna godišnja potrošnja energije za GTST + PD pogon. Kao što se vidi iz slika, racionalni omjer kapaciteta toplinske PD i električne plinske turbine (bez plina) varira od 0 na jugu Rusije do 2,88 za horizontalne plinske turbine i 2,92 za vertikalne sustave u Jakutsku. U središnjem pojasu teritorija Ruske Federacije, racionalni omjer toplinske snage bliže i instaliranog električnog kapaciteta GTST + PD je za horizontalni i okomiti GTST unutar 1,1–1,3. U ovom se trenutku morate detaljnije zaustaviti. Činjenica je da prilikom zamjene, primjerice, električnog grijanja u središnjoj traci Rusije, mi zapravo imamo priliku smanjiti snagu električne opreme ugrađene u grijanu zgradu za 35-40% i, sukladno tome, smanjiti električnu energiju traženu od RAO UES-a, što danas "košta "Oko 50 tisuća rubalja. po 1 kW električne snage instalirane u kući. Tako ćemo, na primjer, za vikendicu s procijenjenim gubitkom topline u najhladnijem petodnevnom razdoblju jednakom 15 kW uštedjeti 6 kW instalirane električne energije i, u skladu s tim, oko 300 tisuća rubalja. ili ≈ 11,5 tisuća američkih dolara. Ova brojka gotovo je jednaka trošku GTST-a takve toplinske snage.

Dakle, ako se pravilno uzmu u obzir svi troškovi vezani za spajanje zgrade na centralizirano napajanje, ispada da se uz postojeće tarife električne energije i povezivanje na centralizirane mreže napajanja u središnjoj zoni Ruske Federacije, čak i za paušalne GTTS troškove, ispostavlja da je isplativije od električnog grijanja, a da ne spominjemo 60 % uštede energije.

U fig. Na slici 8 prikazane su vrijednosti i konture specifične težine toplinske energije proizvedene tijekom godine vrhom približavanja (PD) u ukupnoj godišnjoj potrošnji energije horizontalnog GTST + PD sustava u postocima, a Sl. 9 - za GTST s vertikalnim sustavima sakupljanja topline. Kao što se može vidjeti iz slika, udio toplinske energije proizveden tijekom godine s maksimalnim približavanjem (PD) u ukupnoj godišnjoj potrošnji energije sistemskog vodoravnog sustava GTC + PD varira od 0% na jugu Rusije do 38-40% u gradovima Yakutsk i gradu Tur a za vertikalni GTST + PD, od 0% na jugu i do 48.5% u gradu Yakutsk. U središnjem dijelu Rusije ove vrijednosti za vertikalne i horizontalne GTST-ove su oko 5–7%. To su mali troškovi energije i u tom pogledu trebate biti oprezni pri odabiru vrha bliže. Najracionalnije u pogledu i specifičnih kapitalnih ulaganja od 1 kW snage i automatizacije su vršni električni vodiči. Primjena peletnih kotlova je zapažena.

Zaključno, htio bih se zaustaviti na jednom vrlo važnom pitanju: problemu odabira racionalne razine toplinske zaštite zgrada. Ovaj problem danas predstavlja vrlo ozbiljan zadatak, čije rješavanje zahtijeva ozbiljnu numeričku analizu, uzimajući u obzir specifičnosti naše klime, a posebno primijenjenu inženjersku opremu, infrastrukturu centraliziranih mreža, kao i ekološku situaciju u gradovima, koja se pogoršava doslovno pred našim očima i još mnogo toga. Očito je da je danas već pogrešno formulirati bilo kakve zahtjeve za ovojnicu zgrade bez uzimajući u obzir njezine (građevinske) međusobne veze s klimatskim i energetskim sustavom opskrbe, komunalnim uslugama itd. Kao rezultat toga, u vrlo skoroj budućnosti rješenje problema izbora racionalne razine toplinske zaštite bit će jedino moguće Na temelju razmatranja građevinskog kompleksa + sustav opskrbe energijom + klima + okoliš kao jedinstveni ekoenergetski sustav, a s takvim pristupom, konkurentske prednosti GTST-a na domaćem tržištu teško je precijeniti mb.

književnost

1. Sanner B. Izvori topline tla za toplinske pumpe (klasifikacija, karakteristike, prednosti). Tečaj o geotermalnim dizalicama topline, 2002.

2. Vasiliev G. P. Ekonomski izvediva razina toplinske zaštite zgrada // Ušteda energije. - 2002. - br. 5.

3. Vasiliev G. P. Opskrba toplinom i hladnoćom zgrada i građevina koje koriste nisko potencijalnu toplinsku energiju površinskih slojeva zemlje: Monografija. Izdavačka kuća "Granica". - M.: Crvena zvezda, 2006.

Temperatura unutar zemlje.  Određivanje temperature u Zemljinim školjkama temelji se na različitim, često neizravnim podacima. Najpouzdaniji podaci o temperaturi odnose se na gornji dio zemljine kore, koji su mine i bušotine izložene na dubini od najviše 12 km (bušotina u Koli).

Naziva se porast temperature u stupnjevima Celzijusa po jedinici dubine geotermalni gradijent  i dubina u metrima, za vrijeme kojih se temperatura povećava za 0 0 S - geotermalni stadij.  Geotermalni gradijent i shodno tome geotermalni stadij variraju od mjesta do mjesta, ovisno o geološkim uvjetima, endogenoj aktivnosti u različitim područjima, kao io heterogenoj toplinskoj vodljivosti stijena. Štoviše, prema B. Gutenbergu, granice fluktuacije razlikuju se više od 25 puta. Primjer za to su dva oštro različita nagiba: 1) 150 o na 1 km u državi Oregon (SAD), 2) 6 o na 1 km registrirano u Južnoj Africi. Odgovarajući tim geotermalnim gradijentima, geotermalni korak se također mijenja sa 6,67 m u prvom slučaju na 167 m u drugom. Najčešća fluktuacija gradijenta su u rasponu od 20-50 o, a geotermalna faza -15-45 m. Prosječni geotermalni gradijent odavno je prihvaćen na 30 o C na 1 km.

Prema V. N. Zharkovu, geotermalni gradijent blizu Zemljine površine procjenjuje se na 20 o C na 1 km. Ako polazimo od ove dvije vrijednosti geotermalnog gradijenta i njegove nepromjenjivosti u dubinama Zemlje, tada bi na dubini od 100 km trebala postojati temperatura od 3000 ili 2000 o C. Međutim, to se podudara sa stvarnim podacima. Upravo na tim dubinama povremeno nastaju komore magme iz kojih se izlijeva na površinu lave koja ima maksimalnu temperaturu od 1200-1250 o. S obzirom na ovakav "termometar", niz autora (V. A. Lyubimov, V. A. Magnitsky) vjeruje da na dubini od 100 km temperatura ne može prelaziti 1300-1500 o C.

Na višim temperaturama stijene plašta bi se potpuno rastopile, što je u suprotnosti sa slobodnim prolaskom poprečnih seizmičkih valova. Dakle, prosječni geotermalni gradijent može se pratiti samo do neke relativno male dubine od površine (20-30 km), a zatim bi se trebao smanjivati. Ali čak i u ovom slučaju, na istom mjestu, promjena temperature s dubinom nije neujednačena. To se može vidjeti na primjeru promjena temperature s dubinom duž bunara Kole, smještenog unutar stabilnog kristalnog štita platforme. Kad se položila ova bušotina, izračunao se geotermalni gradijent od 10 o za 1 km, te se stoga na projektiranoj dubini (15 km) očekivala temperatura od oko 150 o C. Međutim, takav gradijent bio je tek 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 projektnoj dubini temperatura biti blizu 280 o C. Drugi primjer su podaci za bunar postavljen na sjeveru Kaspijska primorska područja, u regiji aktivnijeg endogenog režima. U njemu se na dubini od 500 m temperatura pokazala 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 jezgri Zemlje? Dobiveni su manje ili više pouzdani podaci o temperaturi dna sloja u gornjem plaštu (vidi Sl. 1.6). Prema V. N. Zharkovu, "detaljne studije faznog dijagrama Mg 2 SiO 4 - Fe 2 Si0 4 omogućile su određivanje referentne temperature na dubini koja odgovara prvoj zoni faznih prijelaza (400 km)" (tj. Prijelaz olivina u spinel). Temperatura ovdje kao rezultat ovih studija iznosi oko 1600 50 o C.

Pitanje raspodjele temperature u plaštu ispod sloja B i zemljine jezgre još nije riješeno i zato su izražene različite ideje. Možemo samo pretpostaviti da se temperatura povećava s dubinom uz značajno smanjenje geotermalnog gradijenta i porast geotermalnog stupnja. Pretpostavimo da je temperatura u zemljinoj jezgri u rasponu od 4000-5000 o C.

Prosječni kemijski sastav Zemlje. Za prosudbu kemijskog sastava Zemlje koriste se podaci o meteoritima koji su najvjerojatniji uzorci protoplanetarnog materijala iz kojeg su nastali zemaljski planeti i asteroidi. Do danas su mnogi meteoriti koji su pali na Zemlju u različito vrijeme i na različitim mjestima dobro proučeni. Po sastavu se razlikuju tri vrste meteorita: 1) željezo, sastoji se uglavnom od nikljevog željeza (90-91% Fe), s malom primjesom fosfora i kobalta; 2) željezno kamenje  (sideroliti), koji se sastoje od minerala željeza i silikata; 3) kamen  ili aerolites,  koji se sastoji uglavnom od željezo-magnezijevih silikata i od uključenih nikalnih željeza.

Kameni meteoriti su najrasprostranjeniji - oko 92,7% svih nalaza, kamen od željeza 1,3% i željezo 5,6%. Kameni meteoriti dijele se u dvije skupine: a) hondriti s malim zaobljenim zrnima - hondre (90%); b) ahondritis koji ne sadrži kondrese. Sastav kamenih meteorita blizu je ultrabaznim magnetskim stijenama. Prema M. Bott-u, oni sadrže oko 12% željezo-nikalne faze.

Na temelju analize sastava različitih meteorita, kao i dobivenih eksperimentalnih geokemijskih i geofizičkih podataka, brojni istraživači daju suvremenu procjenu bruto elementarnog sastava Zemlje, prikazanog u tablici. 1.3.

Kao što je vidljivo iz tablice, povećana raspodjela odnosi se na četiri najvažnija elementa - O, Fe, Si, Mg, a čine ih više od 91%. Skupina manje uobičajenih elemenata uključuje Ni, S, Ca, A1. Preostali elementi periodičke tablice na globalnoj razini za opću distribuciju su od sekundarnog značaja. Usporedimo li podatke s sastavom zemljine kore, jasno možemo uočiti značajnu razliku koja se sastoji u naglom smanjenju O, A1, Si i značajnom povećanju Fe, Mg i pojavi primjetnih količina S i Ni.

Figura Zemlje naziva se geoid.  O dubokoj strukturi Zemlje ocjenjuju se uzdužni i poprečni seizmički valovi koji, šireći se unutar Zemlje, doživljavaju lom, refleksiju i prigušenje, što ukazuje na stratifikaciju Zemlje. Postoje tri glavna područja:

zemljina kora;

plašt: gornji do dubine od 900 km, donji do dubine od 2900 km;

jezgra Zemlje je vanjska do dubine od 5120 km, unutarnja do dubine od 6371 km.

Unutarnja toplina Zemlje povezana je s propadanjem radioaktivnih elemenata - urana, torija, kalija, rubidija itd. Prosječni toplinski tok je 1,4-1,5 µcal / cm 2 s.

1. Koji su oblik i dimenzije zemlje?

2. Koje su metode za proučavanje unutarnje strukture Zemlje?

3. Koja je unutarnja struktura zemlje?

4. Koji seizmički presjeci prvog reda jasno razlikuju pri analizi strukture Zemlje?

5. Koje granice odgovaraju odjeljcima Mokhorovichicha i Gutenberga?

6. Kolika je prosječna gustoća Zemlje i kako se ona mijenja na granici plašta i jezgre?

7. Kako se izmjenjuje toplinski tok u različitim zonama? Kako se razumije promjena u geotermalnom gradijentu i geotermalnom stupnju?

8. Koji se podaci koriste za određivanje prosječnog kemijskog sastava Zemlje?

književnost

• Voitkevič G.V.  Osnove teorije o podrijetlu Zemlje. M., 1988.

• Zharkov V.N.  Unutarnja struktura Zemlje i planeta. M., 1978.

• Magnitsky V.A.  Unutarnja struktura i fizika Zemlje. M., 1965.

• skice  komparativna planetologija. M., 1981.

• Ringwood A.E.  Sastav i podrijetlo Zemlje. M., 1981.