"Mažo potencialo žemės šiluminės energijos naudojimas šilumos siurblių sistemose"

G. Vasiljevas, „INSOLAR-INVEST OJSC“ mokslinis direktorius, techninių mokslų daktaras, „INSOLAR-INVEST OJSC“ direktorių valdybos pirmininkas
  N. Shilkin, inžinierius, NIISF (Maskva)

Racionalus kuro ir energijos išteklių naudojimas  šiandien yra viena iš globalių globalių problemų, kurios sėkmingas sprendimas, matyt, turės lemiamos reikšmės ne tik tolesniam pasaulio bendruomenės vystymuisi, bet ir jos aplinkos išsaugojimui. Vienas iš perspektyvių šios problemos sprendimo būdų yra naujų energijos taupymo technologijų taikymasnetradicinių atsinaujinančių energijos šaltinių (NEE) naudojimas  Tradicinio iškastinio kuro išeikvojimas ir jo deginimo pasekmės aplinkai pastaraisiais dešimtmečiais žymiai padidino susidomėjimą šiomis technologijomis beveik visose išsivysčiusiose pasaulio šalyse.

Šilumos tiekimo technologijų, kurios naudojamos palyginti su tradicinėmis analogiškomis technologijomis, pranašumai yra siejami ne tik su dideliu energijos sąnaudų sumažėjimu pastatų ir statinių gyvybės palaikymo sistemose, bet ir su jų aplinkos švara, taip pat su naujomis galimybėmis padidinti gyvybės palaikymo sistemų autonomijos laipsnį. Matyt, artimiausiu metu būtent šios savybės turės lemiamos reikšmės formuojant konkurencinę padėtį šilumą generuojančios įrangos rinkoje.

Galimų energijos taupymo technologijų taikymo Rusijos ekonomikoje taikymo analizė netradiciniai energijos šaltiniai, rodo, kad Rusijoje perspektyviausia jų įgyvendinimo sritis yra pastatų gyvybės palaikymo sistemos. Tuo pačiu metu, atrodo, yra plačiai paplitusi labai veiksminga strategijų diegimo praktika namų statyboje šilumos siurblio šilumos tiekimo sistemos (TST)Žemės paviršiaus sluoksnių gruntas naudojamas kaip visuotinai prieinamas mažo potencialo šilumos šaltinis.

Kai naudojate žemės šiluma galima išskirti du šiluminės energijos tipus - didelį ir mažą potencialą. Didelio potencialo šiluminės energijos šaltinis yra hidroterminiai ištekliai - terminiai vandenys, kurie dėl geologinių procesų pašildomi iki aukštos temperatūros, todėl juos galima naudoti pastatų šilumai tiekti. Tačiau didelio potencialo Žemės šiluma gali būti naudojama tik tose vietose, kuriose yra tam tikri geologiniai parametrai. Rusijoje tai, pavyzdžiui, Kamčiatka - Kaukazo mineralinių vandenų regionas; Europoje yra daug potencialių šilumos šaltinių Vengrijoje, Islandijoje ir Prancūzijoje.

Skirtingai nuo „tiesioginio“ didelio potencialo šilumos (hidroterminių išteklių) naudojimo, žemo potencialo žemės šilumos panaudojimas  šilumos siurbliais galima beveik visur. Šiuo metu tai viena dinamiškiausiai besivystančių naudojimo sričių. netradiciniai atsinaujinantys energijos šaltiniai.

Žemos kokybės žemė  gali būti naudojami įvairių tipų pastatuose ir konstrukcijose įvairiais būdais: šildymui, karšto vandens tiekimui, oro kondicionavimui (vėsinimui), žiemos trasoms, siekiant išvengti apledėjimo, šildymo laukų atviruose stadionuose ir tt Anglų kalba parengtoje techninėje literatūroje tokios sistemos yra žymimi „GHP“ - „geoterminiais šilumos siurbliais“, geoterminiai šilumos siurbliai.

Centrinės ir Šiaurės Europos šalių, kurios kartu su JAV ir Kanada yra pagrindinės žemo potencialo žemės šilumos panaudojimo sritys, klimato ypatybės daugiausia lemia šildymo poreikį; oro aušinimas net vasarą yra gana retas. Todėl, skirtingai nei JAV, šilumos siurbliai  Europos šalyse jie daugiausia dirba šildymo režimu. JAV šilumos siurbliai  dažniau naudojamas oro šildymo sistemose kartu su ventiliacija, leidžiančia šildyti ir vėsinti išorinį orą. Europos šalyse šilumos siurbliai  paprastai naudojamas vandens šildymo sistemose. Nuo šilumos siurblio efektyvumas  padidėja, kai sumažėja garintuvo ir kondensatoriaus temperatūrų skirtumas; pastatams šildyti dažnai naudojamos grindų šildymo sistemos, kuriose aušinimo skystis cirkuliuoja gana žemoje temperatūroje (35–40 ° C).

Dauguma šilumos siurbliai  Europoje, skirtas naudoti žemos kokybės žemės šilumą, aprūpintas elektriniais kompresoriais.

Per pastaruosius dešimt metų skaičius sistemų, naudojančių mažo potencialo žemės šilumą tiekiant šilumą ir šaltį pastatams šilumos siurbliaižymiai padidėjo. Daugiausia tokių sistemų naudojama JAV. Daugybė tokių sistemų veikia Kanadoje ir Vidurio bei Šiaurės Europos šalyse: Austrijoje, Vokietijoje, Švedijoje ir Šveicarijoje. Šveicarija naudoja mažo potencialo šiluminę energijos energiją, tenkančią vienam gyventojui. Per pastaruosius dešimt metų Rusijoje tik keli objektai buvo pastatyti naudojant technologijas ir dalyvaujant šioje srityje besispecializuojančiai INSOLAR-INVEST OJSC, iš kurių įdomiausi pristatomi 2006 m.

Maskvoje, Nikulino-2 mikrorajone, ji iš tikrųjų buvo pastatyta pirmą kartą šilumos siurblio karšto vandens sistema  daugiaaukštis gyvenamasis namas. Šį projektą 1998–2002 m. Įgyvendino Rusijos Federacijos gynybos ministerija kartu su Maskvos vyriausybe, Rusijos pramonės ir mokslo ministerija, „NP ABOK“ asociacija. „Ilgalaikė energijos taupymo programa Maskvoje“.

Kaip mažo potencialo šilumos energijos šaltinis šilumos siurblių garintuvams naudojama žemės paviršiaus sluoksnių dirvožemio šiluma, taip pat pašalinta vėdinamojo oro šiluma. Karšto vandens ruošimo įrenginys yra pastato rūsyje. Jį sudaro šie pagrindiniai elementai:

• garų kompresinio šilumos siurblio agregatai (HPU);
• karšto vandens rezervuarai;
• sistemos, skirtos surinkti mažai potencialų dirvožemio šiluminę energiją ir pašalinto vėdinimo oro mažo potencialo šilumą;
• cirkuliaciniai siurbliai, prietaisai

Pagrindinis mažo potencialo dirvožemio šilumos surinkimo sistemos šilumos mainų elementas yra vertikalūs koaksialiniai dirvožemio šilumokaičiai, esantys pastato perimetro išorėje. Šie šilumokaičiai yra 8 gręžinių, kurių kiekvieno gylis yra nuo 32 iki 35 m, esančių šalia namo. Kadangi šilumos siurblių darbo režimas naudojant žemės šiluma  o pašalinto oro šiluma yra pastovi, o karšto vandens suvartojimas kintamas, karšto vandens tiekimo sistemoje yra akumuliacinės talpos.

Duomenys, vertinantys žemo potencialo žemės šiluminės energijos naudojimą per šilumos siurblius, yra pateikti lentelėje.

1 lentelė. Žemo potencialo žemės šilumos energijos panaudojimas šilumos siurbliais pasaulyje

Dirvožemis kaip mažo potencialo šiluminės energijos šaltinis

Požeminis vanduo, kurio temperatūra yra palyginti žema, arba paviršiaus (iki 400 m gylio) žemės sluoksnių dirvožemis gali būti naudojami kaip mažo potencialo šiluminės energijos šaltinis. Paprastai šilumos kiekis dirvožemio masėje yra didesnis. Žemės paviršiaus sluoksnių dirvožemio šiluminis režimas susidaro veikiant dviem pagrindiniams veiksniams - saulės spinduliuotei, esančiai paviršiuje, ir radiogeninės šilumos srautui iš žemės žarnų.. Sezoniniai ir kasdieniniai saulės radiacijos intensyvumo ir lauko oro temperatūros pokyčiai sukelia viršutinių dirvožemio sluoksnių temperatūros svyravimus. Kasdieninių lauko oro temperatūros svyravimų ir patenkančios saulės spinduliuotės intensyvumo skverbimosi gylis, atsižvelgiant į konkrečias dirvožemio ir klimato sąlygas, svyruoja nuo kelių dešimčių centimetrų iki pusantro metro. Lauko oro temperatūros sezoninių svyravimų ir patenkančios saulės spinduliuotės intensyvumo prasiskverbimo gylis paprastai neviršija 15–20 m.

Žemiau šio gylio esančių dirvožemio sluoksnių („neutrali zona“) temperatūros režimas susidaro veikiant šiluminei energijai, sklindančiai iš Žemės žarnų, ir praktiškai nepriklauso nuo sezoninių ir dar daugiau kasdieninių išorinio klimato parametrų pokyčių (1 pav.).

Fig. 1. Dirvožemio temperatūros pokyčių priklausomai nuo gylio grafikas

Didėjant gyliui, dirvožemio temperatūra didėja atsižvelgiant į geoterminį nuolydį (maždaug 3 laipsniai C kiekvienam 100 m). Radioaktyviosios šilumos, sklindančios iš žemės žarnų, srauto dydis įvairiose vietose skiriasi. Vidurio Europoje ši vertė yra 0,05–0,12 W / m2.

Eksploatavimo laikotarpiu dirvožemio masė, esanti mažo potencialo dirvožemio šilumos kaupimo sistemos (šilumos surinkimo sistemos) dirvožemio šilumokaičio vamzdžių registro paveiktoje šilumos zonoje, dėl sezoninių lauko klimato pokyčių, taip pat veikiant šilumos apkrovos sistemos eksploatacinėms apkrovoms, paprastai yra pakartotinai užšaldoma ir atšildymas. Šiuo atveju natūraliai pasikeičia drėgmės agregacijos būsena, esanti dirvožemio porose ir paprastai esanti tiek skystoje, tiek kietoje ir dujinėje fazėse. Kitaip tariant, šilumos surinkimo sistemos dirvožemio masė, nepaisant to, kokioje būsenoje ji yra (užšalusi ar atitirpusi), yra sudėtinga trifazė polidispersinė nevienalytė sistema, kurios griaučius sudaro didžiulis kiekis kietų dalelių, įvairių formų ir dydžių, ir gali būti kietas arba ir judrios, atsižvelgiant į tai, ar dalelės yra tvirtai sujungtos viena su kita, ar jas atskiria viena nuo kitos judančioje fazėje esanti medžiaga. Tarpai tarp kietų dalelių gali būti užpildyti mineralizuota drėgme, dujomis, garais ir ledu arba abiem tuo pačiu metu. Šilumos ir masės perdavimo procesų, formuojančių tokios daugiakomponentės sistemos šiluminį režimą, modeliavimas yra nepaprastai sudėtingas uždavinys, nes reikia atsižvelgti į matematinį įvairių jų įgyvendinimo mechanizmų aprašymą: šilumos laidumą vienoje dalelėje, šilumos perdavimą iš vienos dalelės į kitą, kai jie liečiasi, molekulinį šilumos laidumą vidutinėje užpildymo spragoje. tarp dalelių, garų ir drėgmės konvekcija, esanti porų erdvėje, ir daugelis kitų.

Ypatingas dėmesys turėtų būti kreipiamas į dirvožemio masės drėgmės ir drėgmės migracijos įtaką jos porų erdvėje terminiams procesams, kurie lemia dirvožemio, kaip mažo potencialo šiluminės energijos šaltinio, savybes.

Kapiliarinėse porėtose sistemose, kurios yra šilumos kaupimo sistemos dirvožemio masė, drėgmės buvimas porų erdvėje daro pastebimą poveikį šilumos paskirstymo procesui. Teisingas šios įtakos apskaita šiandien yra susijęs su dideliais sunkumais, kurie pirmiausia yra susiję su aiškių minčių apie kietų, skystų ir dujinių drėgmės fazių pasiskirstymą vienoje ar kitoje sistemos struktūroje pobūdį. Dar nėra išaiškintas drėgmės rišamųjų jėgų su skeleto dalelėmis pobūdis, drėgmės jungties priklausomybė nuo medžiagos skirtinguose drėkinimo etapuose ir drėgmės judėjimo porų erdvėje mechanizmas.

Jei didžiojoje dirvožemio masės dalyje yra temperatūros gradientas, garų molekulės juda į vietas, kuriose yra mažesnis temperatūros potencialas, tačiau tuo pat metu, veikiant gravitacinėms jėgoms, skysčio fazėje vyksta priešingai nukreiptas drėgmės srautas. Be to, viršutinių dirvožemio sluoksnių temperatūrą įtakoja atmosferos kritulių drėgmė, taip pat požeminis vanduo.

Pagrindiniai veiksniai, įtakojantys dirvožemio masės temperatūros režimą mažo potencialo dirvožemio šilumos kaupimo sistemose, yra parodyti 1 pav. 2.

Fig. 2. Veiksniai, kuriems įtakos turi dirvožemio temperatūros režimas

Sistemų, naudojančių žemo potencialo žemės šiluminę energiją, tipai

Antžeminiai šilumokaičiai jungiasi šilumos siurblio įranga  su dirvožemio mase. Be žemės šilumos „išgavimo“, dirvožemio šilumokaičiai taip pat gali būti naudojami kaupti šilumą (arba šaltį) dirvožemio masėje.

Bendru atveju galima išskirti dviejų tipų sistemas, skirtas naudoti žemo potencialo Žemės šiluminę energiją:

• atviros sistemos:  kaip mažai potencialios šiluminės energijos šaltinis naudojamas požeminis vanduo, tiekiamas tiesiai į šilumos siurblius;
• uždaros sistemos:  šilumokaičiai yra dirvožemio masėje; kai aušinimo skystis cirkuliuoja pro juos žemesne nei dirvožemio temperatūra, šiluma „paimama“ iš dirvožemio ir perduodama į garintuvą šilumos siurblys  (arba, kai naudojamas šilumos nešiklis, kurio temperatūra yra aukštesnė nei dirvožemis, jo aušinimas).

Pagrindinę atvirų sistemų dalį sudaro gręžiniai, kurie leidžia ištraukti požeminį vandenį iš vandeningųjų sluoksnių ir grąžinti vandenį atgal į tuos pačius vandeningus sluoksnius. Paprastai tam yra suporuoti šuliniai. Tokios sistemos schema parodyta fig. 3.

Fig. 3. Žemos kokybės požeminio vandens šilumos panaudojimo atviros sistemos schema

Atvirų sistemų pranašumas yra galimybė palyginti mažomis sąnaudomis gaminti didelius šiluminės energijos kiekius. Tačiau šulinius reikia prižiūrėti. Be to, tokiose sistemose neįmanoma naudotis visose srityse. Pagrindiniai dirvožemio ir požeminio vandens reikalavimai yra šie:

• pakankamas dirvožemio pralaidumas vandeniui, leidžiantis papildyti vandens atsargas;
• gera požeminio vandens cheminė sudėtis (pavyzdžiui, mažas geležies kiekis), išvengiant problemų, susijusių su nuosėdų susidarymu vamzdžių sienose ir korozija.

Atviros sistemos dažniau naudojamos šildant ar šaldant didelius pastatus. Didžiausia pasaulyje geoterminio šilumos siurblio sistema  naudoja požeminį vandenį kaip mažo potencialo šiluminės energijos šaltinį. Ši sistema yra JAV, Luisvilyje, Kentukyje. Sistema naudojama šilumos ir šalčio tiekimui viešbučio-biuro komplekse; Jo galia yra maždaug 10 MW.

Kartais sistemos, naudojančios žemės šilumą, apima natūralių ir dirbtinių atvirų vandens telkinių mažo potencialo šilumos panaudojimo sistemas. Šis požiūris laikomasi visų pirma JAV. Sistemos, naudojančios mažai potencialų vandens telkinių šilumą, yra atviros, kaip ir sistemos, naudojančios mažai potencialų požeminio vandens šilumą.

Uždaros sistemos, savo ruožtu, yra padalintos į horizontalias ir vertikalias.

Horizontalus dirvožemio šilumokaitis(terminai „žemės šilumos kolektorius“ ir „horizontalioji kilpa“ taip pat vartojami angliškoje literatūroje) paprastai yra šalia namo nedideliame gylyje (bet žemiau dirvožemio užšalimo lygio žiemą). Horizontalių žemės šilumokaičių naudojimą riboja esamos aikštelės dydis.

Vakarų ir Vidurio Europos šalyse horizontalūs antžeminiai šilumokaičiai paprastai yra atskiri vamzdžiai, išdėstyti palyginti sandariai ir sujungti vienas su kitu nuosekliai arba lygiagrečiai (4a, 4b pav.). Norėdami išsaugoti plotą, buvo sukurti patobulinti šilumokaičių tipai, pavyzdžiui, spiralės formos šilumokaičiai, išdėstyti horizontaliai arba vertikaliai (4e, 4e pav.). Ši šilumokaičių forma yra paplitusi JAV.

Fig. 4. Horizontalių dirvožemio šilumokaičių tipai
  a - šilumokaitis iš sujungtų vamzdžių;
  b - šilumokaitis iš lygiagrečiai sujungtų vamzdžių;
  in - horizontalus kolektorius, pastatytas tranšėjoje;
  g - kilpinis šilumokaitis;
d - horizontaliai horizontaliai išdėstytas šilumokaitis spiralės pavidalu (vadinamasis „slinky“ kolektorius;
  e - spiralės formos šilumokaitis

Jei sistema su horizontaliais šilumokaičiais naudojama tik šilumai gaminti, normalus jos veikimas įmanomas tik tuo atveju, jei dėl saulės spinduliuotės iš žemės paviršiaus gaunama pakankamai šilumos. Dėl šios priežasties paviršius virš šilumokaičių turi būti veikiamas saulės spindulių.

Vertikalūs žemės šilumokaičiai  (Anglų literatūroje žymimas „BHE“ kaip „gręžinio šilumokaitis“) jie leidžia naudoti žemos kokybės šiluminę energiją dirvožemio masėje, esančioje žemiau „neutralios zonos“ (10–20 m nuo žemės paviršiaus). Sistemoms su vertikaliais žemės šilumokaičiais nereikia didelių plotų ir jos nepriklauso nuo paviršiaus radiacijos intensyvumo. Vertikalūs grunto šilumokaičiai efektyviai veikia beveik visų tipų geologinę aplinką, išskyrus žemo šilumos laidumo dirvožemius, pavyzdžiui, sausą smėlį ar sausą žvyrą. Vertikalios dirvožemio šilumokaičių sistemos yra labai paplitusios.

Vienos šeimos gyvenamojo namo šildymas ir karšto vandens tiekimas naudojant šilumos siurblio įrenginį su vertikaliu dirvožemio šilumokaičiu parodytas fig. 5.

Fig. 5. Vieno šeimos gyvenamojo namo šildymo ir karšto vandens tiekimo schema naudojant šilumos siurblį su vertikaliu dirvožemio šilumokaičiu

Aušinimo skystis cirkuliuoja per vamzdžius (dažniausiai polietileną arba polipropileną), klojamus vertikaliuose šuliniuose, kurių gylis nuo 50 iki 200 m. Paprastai naudojami dviejų tipų vertikalūs žemės šilumokaičiai (6 pav.):

• U formos šilumokaitis, kuris yra du lygiagrečiai vamzdžiai, sujungti apačioje. Viename šulinyje yra viena arba dvi (retai trys) poros tokių vamzdžių. Tokios schemos pranašumas yra palyginti mažos gamybos sąnaudos. Dvigubi U formos šilumokaičiai yra labiausiai paplitęs vertikalių žemės šilumokaičių tipas Europoje.
• Koaksialinis (koncentrinis) šilumokaitis. Paprasčiausią koaksialinį šilumokaitį sudaro du skirtingo skersmens vamzdžiai. Mažesnis vamzdis yra kito vamzdžio viduje. Koaksialiniai šilumokaičiai gali būti sudėtingesnės konfigūracijos.

Fig. 6. Įvairių tipų vertikalių dirvožemio šilumokaičių skerspjūvis

Norint padidinti šilumokaičių efektyvumą, tarpas tarp šulinio sienų ir vamzdžių užpildomas specialiomis šilumą laidžiomis medžiagomis.

Sistemos su vertikaliais žemės šilumokaičiais gali būti naudojamos tiekiant šilumą ir šaltį įvairaus dydžio pastatams. Mažam pastatui pakanka vieno šilumokaičio; dideliems pastatams gali reikėti pastatyti visą grupę šulinių su vertikaliais šilumokaičiais. Didžiausias šulinių skaičius pasaulyje naudojamas Richardo Stocktono koledžo šildymo ir vėsinimo sistemoje JAV Naujajame Džersyje. Šios kolegijos vertikalūs antžeminiai šilumokaičiai yra įrengti 400 šulinių, kurių gylis siekia 130 m. Europoje daugiausiai šulinių (154 šulinių, kurių gylis siekia 70 m) yra naudojami Vokietijos oro eismo valdymo tarnybos („Deutsche Flug-sicherung“) centrinio biuro šilumos ir vėsinimo tiekimo sistemoje.

Ypatingas vertikalių uždarų sistemų atvejis yra statybinių konstrukcijų, kaip grunto šilumokaičių, naudojimas, pavyzdžiui, pamatų poliai su monolitiniais vamzdynais. Tokio krūvos su trim grunto šilumokaičio kontūrais skerspjūvis parodytas fig. 7

Fig. 7. Monolitinių grunto šilumokaičių schema pastato pamatų poliuose ir tokių polių skerspjūvis

Žemės paviršiaus masė (vertikalių antžeminių šilumokaičių atveju) ir pastatų konstrukcijos su žemės šilumokaičiais gali būti naudojamos ne tik kaip šaltinis, bet ir kaip natūralus šiluminės energijos arba „šalčio“ akumuliatorius, pavyzdžiui, saulės spinduliuotės skleidžiama šiluma.

Yra sistemų, kurių negalima vienareikšmiškai priskirti atviroms ar uždaroms. Pavyzdžiui, tas pats gilus (nuo 100 iki 450 m gylio), gerai užpildytas vandeniu, gali būti gaminamas arba įpurškiamas. Šulinio skersmuo paprastai yra 15 cm.Šulinio dugne dedamas siurblys, per kurį vanduo iš šulinio tiekiamas į šilumos siurblio garintuvus. Grįžtantis vanduo grįžta į vandens kolonėlės viršutinę dalį į tą patį šulinį. Šulinys nuolat papildomas požeminiu vandeniu, o atvira sistema veikia kaip uždara. Šio tipo sistemos angliškoje literatūroje vadinamos „stovinčių kolonų šulinių sistema“ (8 pav.).

Fig. 8. „Stovinčio koloninio šulinio“ tipo šulinio schema

Paprastai šio tipo šuliniai taip pat naudojami tiekiant pastatą geriamuoju vandeniu.. Tačiau tokia sistema gali efektyviai veikti tik dirvožemiuose, kurie užtikrina šulinio nuolatinį papildymą vandeniu, kuris neleidžia jam užšalti. Jei vandeningasis sluoksnis yra per giliai, normaliam sistemos veikimui reikės galingo siurblio, kuriam reikia daugiau energijos. Didelis šulinio gylis sukelia gana dideles tokių sistemų sąnaudas, todėl jos nėra naudojamos mažiems pastatams tiekti šilumą ir šaltį. Dabar pasaulyje yra kelios tokios sistemos JAV, Vokietijoje ir Europoje.

Viena iš perspektyvių sričių yra kasyklų ir tunelių vandens naudojimas kaip žemos kokybės šiluminės energijos šaltinis. Šio vandens temperatūra ištisus metus yra pastovi. Vanduo iš kasyklų ir tunelių yra lengvai prieinamas.

Žemo potencialo šilumos sistemos „tvarumas“

Dirvožemio šilumokaičio veikimo metu gali susidaryti situacija, kai šildymo sezono metu sumažėja dirvožemio temperatūra šalia dirvožemio šilumokaičio, o vasarą dirvožemis neturi laiko sušilti iki pradinės temperatūros - jo temperatūros potencialas mažėja. Energijos sąnaudos kitą šildymo sezoną dar labiau sumažina dirvožemio temperatūrą, o jos temperatūros potencialas dar labiau sumažėja. Jis verčia projektuoti sistemas žemo potencialo žemės šilumos panaudojimas  apsvarstykite tokių sistemų tvarumą. Energijos ištekliai dažnai naudojami labai intensyviai, siekiant sutrumpinti įrangos atsipirkimo laiką, o tai gali lemti greitą jų išeikvojimą. Todėl būtina išlaikyti tokį energijos gamybos lygį, kuris leistų ilgą laiką eksploatuoti energijos išteklių šaltinį. Šis sistemų sugebėjimas ilgą laiką išlaikyti reikiamą šiluminės energijos gamybos lygį vadinamas „tvarumu“. Skirtos mažo potencialo sistemoms žemės šiluma  pateiktas toks tvarumo apibrėžimas: „Kiekvienai sistemos, naudojančios žemo potencialo žemės šilumą, ir kiekvienam šios sistemos veikimo režimui yra nustatytas tam tikras maksimalus energijos gamybos lygis; energijos gamyba žemiau šio lygio gali būti išlaikyta ilgą laiką (100–300 metų). “

Laikoma UAB „INSOLAR-INVEST“ Tyrimai parodė, kad šiluminės energijos sunaudojimas iš dirvožemio masės šildymo sezono pabaigoje lemia dirvožemio temperatūros sumažėjimą šalia šilumos surinkimo sistemos vamzdžių registro, kuris daugumos Rusijos dirvožemio ir klimato sąlygomis neturi laiko kompensuoti vasaros sezono metu, o iki kito šildymo sezono pradžios dirvožemis palieka. esant sumažintam temperatūros potencialui. Šilumos energijos sunaudojimas kitą šildymo sezoną dar labiau sumažina dirvožemio temperatūrą, o iki trečiojo šildymo sezono pradžios jo temperatūros potencialas dar labiau skiriasi nuo natūralaus. Ir taip toliau. Tačiau ilgalaikio šilumos kaupimo sistemos šiluminio poveikio apvalkalai natūraliai dirvožemio temperatūrai yra akivaizdžiai eksponentiniai, o penktaisiais eksploatavimo metais dirvožemis pereina į naują, beveik periodišką režimą, tai yra, pradedant penktaisiais eksploatavimo metais, ilgą laiką sunaudojant šiluminę energiją iš dirvožemio masės. šilumos surinkimo sistemą lydi periodiniai jos temperatūros pokyčiai. Taigi, kuriant šilumos siurblių šildymo sistemos  atrodo, kad būtina atsižvelgti į dirvožemio masės temperatūros kritimą, atsirandantį dėl ilgalaikio šilumos surinkimo sistemos veikimo, ir kaip apskaičiuotus parametrus naudoti dirvožemio masės temperatūrą, numatomą 5-iems TST veikimo metams.

Kombinuotose sistemoseNaudojant tiek šilumą, tiek šaltį, šilumos balansas nustatomas „automatiškai“: žiemą (reikalingas šilumos tiekimas), dirvos masė aušinama, vasarą (reikalingas šaltas tiekimas) - dirvos masės šildymas. Sistemose, naudojančiose žemos kokybės požeminio vandens šilumą, vandens atsargos nuolat papildomos, nes vanduo prasiskverbia iš paviršiaus ir vanduo patenka iš gilesnių dirvožemio sluoksnių. Taigi požeminio vandens šilumos kiekis padidėja ir „iš viršaus“ (dėl atmosferos oro šilumos), ir „iš apačios“ (dėl žemės šilumos); „virš“ ir „žemiau“ įleidžiamos šilumos kiekis priklauso nuo vandeningo sluoksnio storio ir gylio. Dėl šių šilumos sąnaudų požeminio vandens temperatūra išlieka pastovi visą sezoną ir eksploatacijos metu mažai kinta.

Sistemose su vertikaliais žemės šilumokaičiais padėtis yra kitokia. Pašalinus šilumą, dirvožemio temperatūra aplink dirvožemio šilumokaitį mažėja. Temperatūros sumažėjimui įtakos turi tiek šilumokaičio projektinės savybės, tiek jo veikimo būdas. Pavyzdžiui, sistemose su didelėmis šiluminės energijos vertėmis (kelios dešimtys vatų vienam šilumokaičio ilgio metrui) arba sistemose su žemės šilumokaičiu, esančiu žemo šilumos laidumo dirvožemyje (pavyzdžiui, sausame smėlyje ar sausame žvyre), temperatūros sumažėjimas bus ypač pastebimas ir gali sukelti užšaldant dirvą aplink dirvožemio šilumokaitį.

Vokietijos ekspertai išmatavo dirvožemio, kuriame yra vertikalus 50 m gylio šilumokaitis, esantį netoli Frankfurto prie Maino, temperatūros. Norėdami tai padaryti, aplink pagrindinį šulinį 2,5, 5 ir 10 m atstumu nuo šulinio buvo išgręžti 9 to paties gylio šuliniai. Visuose dešimtyje šulinių kas 2 m buvo įmontuoti jutikliai temperatūrai matuoti - iš viso 240 jutiklių. Fig. 9 paveiksle pateiktos diagramos, parodančios temperatūros pasiskirstymą dirvožemio masėje aplink vertikalų dirvožemio šilumokaitį pirmojo šildymo sezono pradžioje ir pabaigoje. Šildymo sezono pabaigoje pastebimas dirvožemio masės temperatūros sumažėjimas aplink šilumokaitį. Iš šilumnešio nukreiptas šilumos srautas iš aplinkinio dirvožemio masyvo, kuris iš dalies kompensuoja dirvožemio temperatūros sumažėjimą, kurį sukelia „šiluma“. Manoma, kad šio srauto dydis, palyginti su šilumos srautu, gautu iš žemės žarnų, šioje srityje (80–100 mW / kv.m), yra gana didelis (keli vatai kvadratiniam metrui).

Fig. 9. Temperatūros pasiskirstymo diagramos dirvožemio masėje aplink vertikalų dirvožemio šilumokaitį pirmojo šildymo sezono pradžioje ir pabaigoje

Kadangi vertikalieji šilumokaičiai pradėjo plačiai paskirstyti maždaug prieš 15–20 metų, visame pasaulyje trūksta eksperimentinių duomenų, gautų per ilgą (keliasdešimt metų) sistemų, turinčių tokio tipo šilumokaičius, gyvavimo laiką. Kyla klausimas dėl šių sistemų stabilumo, dėl jų patikimumo ilgą veikimo laiką. Ar žemos kokybės žemės šiluma yra atsinaujinantis energijos šaltinis? Koks yra šio šaltinio „atnaujinimo“ laikotarpis?

Kai veikia kaimo mokykla Jaroslavlio regione, aprūpinta šilumos siurblio sistemanaudojant vertikalų dirvožemio šilumokaitį, vidutinės savitojo šilumos pašalinimo vertės buvo 120–190 W / pog. m šilumokaičio ilgis.

Nuo 1986 m. Šveicarijoje netoli Ciuricho buvo atlikti sistemos su vertikaliais žemės šilumokaičiais tyrimai. Grunto masyve buvo įrengtas vertikalus koaksialinis 105 m gylio žemės šilumokaitis, kuris buvo naudojamas kaip mažo potencialo šilumos energijos šaltinis šilumos siurblių sistemai, įrengtai vienos šeimos gyvenamajame name. Vertikalus dirvožemio šilumokaičio didžiausia galia buvo maždaug 70 W ilgio metrui, o tai sukėlė didelę šilumos apkrovą aplinkinei dirvožemio masei. Per metus pagaminama apie 13 MWh šiluminės energijos

Buvo išgręžti du papildomi šuliniai 0,5 ir 1 m atstumu nuo pagrindinio šulinio, kuriuose 1, 2, 5, 10, 20, 35, 50, 65, 85 ir 105 m gylyje buvo sumontuoti temperatūros jutikliai, po kurių šuliniai buvo užpildyti. molio-cemento mišinys. Temperatūra buvo matuojama kas trisdešimt minučių. Be dirvožemio temperatūros, buvo registruojami ir kiti parametrai: aušinimo skysčio greitis, šilumos siurblio kompresoriaus pavaros energijos sąnaudos, oro temperatūra ir kt.

Pirmasis stebėjimo laikotarpis truko nuo 1986 iki 1991 m. Matavimai parodė, kad išorinio oro ir saulės spinduliuotės poveikis stebimas paviršiniame dirvožemio sluoksnyje iki 15 m gylio. Žemiau šio lygio dirvožemio šiluminis režimas susidaro daugiausia dėl žemės vidaus šilumos. Pirmuosius 2-3 veiklos metus masės temperatūraaplink vertikalų šilumokaitį smarkiai sumažėjo, tačiau kiekvienais metais temperatūra mažėjo, o po kelerių metų sistema pasiekė beveik pastovų režimą, kai dirvožemio masės temperatūra aplink šilumokaitį nukrito 1–2 oC.

1996 m. Rudenį, praėjus dešimčiai metų nuo sistemos eksploatavimo pradžios, matavimai buvo atnaujinti. Šie matavimai parodė, kad dirvožemio temperatūra reikšmingai nepasikeitė. Vėlesniais metais buvo užfiksuoti nereikšmingi žemės temperatūros svyravimai per 0,5 laipsnio C, atsižvelgiant į metinę šildymo apkrovą. Taigi po kelių pirmųjų eksploatavimo metų sistema perėjo į beveik stacionarų režimą.

Remiantis eksperimentiniais duomenimis, buvo sudaryti grunto masėje vykstančių procesų matematiniai modeliai, kurie leido sudaryti ilgalaikę prognozę apie dirvožemio masės temperatūros pokyčius.

Matematinis modeliavimas parodė, kad kasmet mažėjanti temperatūra laipsniškai mažės, o dirvožemio masė aplink šilumokaitį, esant žemesnei temperatūrai, kasmet didės. Pasibaigus eksploatavimo laikotarpiui, prasideda regeneracijos procesas: pradeda kilti dirvožemio temperatūra. Atsinaujinimo proceso pobūdis yra panašus į šilumos „atrankos“ proceso pobūdį: pirmaisiais darbo metais smarkiai padidėja dirvožemio temperatūra, o vėlesniais metais temperatūros padidėjimo greitis mažėja. „Regeneravimo“ laikotarpio trukmė priklauso nuo operacijos laikotarpio. Šie du laikotarpiai yra maždaug vienodi. Šiuo atveju dirvožemio šilumokaičio veikimo laikotarpis buvo trisdešimt metų, o „regeneracijos“ laikotarpis taip pat įvertintas trisdešimt metų.

Taigi pastatų šilumos ir šalčio tiekimo sistemos, naudojančios žemos kokybės žemės šilumą, yra patikimas energijos šaltinis, kurį galima naudoti visur. Šis šaltinis gali būti naudojamas pakankamai ilgą laiką ir gali būti atnaujintas pasibaigus eksploatavimo laikotarpiui.

Literatūra

1. Rybach L. Geoterminių šilumos siurblių (GHP) padėtis ir perspektyvos Europoje ir pasaulyje; GHP tvarumo aspektai. Tarptautinis geoterminių šilumos siurblių kursas, 2002 m

2. Vasiljevas G. P., Krundyševas N.S. Energiškai efektyvi kaimo mokykla Jaroslavlio regione. 2002 m. ABOK Nr. 5

3. Sanner B. Šilumos siurblių žemės šilumos šaltiniai (klasifikacija, charakteristikos, pranašumai). 2002 metai

4. Rybach L. Geoterminių šilumos siurblių (GHP) padėtis ir perspektyvos Europoje ir pasaulyje; GHP tvarumo aspektai. Tarptautinis geoterminių šilumos siurblių kursas, 2002 m

5. „ORKUSTOFNUN“ darbo grupė, Islandija (2001): Tvari geoterminės energijos gamyba - siūlomas apibrėžimas. IGA žinios Nr. 43, 2001 m. Sausio – kovo mėn., 1–2

6. Rybach L., Sanner B. Antžeminių šilumos siurblių sistemos - Europos patirtis. „GeoHeat“ - bulių centras. 2000 m

7. Energijos taupymas naudojant šilumos siurblius šaltame klimate. „Maxi“ brošiūra 08. CADDET, 1997 m

8. Atkinson Schaefer L. vieno slėgio absorbcijos šilumos siurblio analizė. Akademiniam fakultetui pristatyta disertacija. Džordžijos technologijos institutas, 2000 m

9. Morley T. Atbulinės eigos šilumos variklis kaip pastatų šildymo priemonė, „The Engineer 133: 1922“

10. Fearon J. Šilumos siurblio, šaldymo ir oro kondicionavimo istorija ir raida. 1978 m

11. Vasiljevas G.P. Energiją taupantys pastatai su šilumos siurblių šildymo sistemomis. Būstas ir komunalinės paslaugos, 2002 m. Nr. 12

12. Šilumos siurblių, naudojant antrinius energijos išteklius ir netradicinius atsinaujinančius energijos šaltinius, naudojimo rekomendacijos. Moskomarchitektūra. Valstybinė vieninga įmonė „NIAC“, 2001 m

13. Energiją taupantis gyvenamasis pastatas Maskvoje. 1999 m. ABOK Nr. 4

14. Vasiljevas G.P. Energiją taupantis eksperimentinis gyvenamasis namas Nikulino-2 mikrorajone. 2002 m. ABOK Nr. 4

Vienas iš geriausių, racionaliausių metodų statant kapitalinius šiltnamius yra požeminis termoso šiltnamis.
  Naudojant šį žemės temperatūros pastovumo faktą šiltnamio įtaiso gylyje, galima sutaupyti šalto sezono šildymo išlaidas, palengvinti techninę priežiūrą, padaryti mikroklimatą stabilesnį.
  Toks šiltnamis veikia labiausiai įtrūkusiomis šalnomis, leidžia gaminti daržoves, auginti gėles visus metus.
  Tinkamai įrengtas palaidotas šiltnamis leidžia auginti, įskaitant šilumą mylinčius pietinius augalus. Praktiškai nėra jokių apribojimų. Citrusiniai vaisiai ir net ananasai gali puikiai jaustis šiltnamyje.
  Bet norint, kad viskas tinkamai veiktų praktiškai, būtina laikytis laiko patikrintų technologijų, pagal kurias buvo statomi požeminiai šiltnamiai. Galų gale, ši idėja nėra nauja, net caro laikais Rusijoje palaidoti šiltnamiai davė ananasų derlių, kuriuos verslininkai prekybininkai eksportavo parduoti į Europą.
  Dėl tam tikrų priežasčių tokių šiltnamių statyba mūsų šalyje nebuvo plačiai paplitusi, tai tiesiog pamirštama, nors dizainas idealus tik mūsų klimatui.
  Ko gero, vaidmenį čia atliko poreikis iškasti gilią pamato duobę, pilant pamatą. Palaidoto šiltnamio statyba yra gana brangi, tai toli gražu nėra šiltnamis, padengtas polietilenu, tačiau šiltnamio grąža yra daug didesnė.
  Gilinantis į žemę bendras vidaus apšvietimas neprarandamas, tai gali pasirodyti keista, tačiau kai kuriais atvejais šviesos sodrumas yra dar didesnis nei klasikiniuose šiltnamiuose.
Neįmanoma nepaminėti konstrukcijos tvirtumo ir patikimumo, ji nepalyginamai stipresnė nei įprasta, ji lengviau toleruoja uraganinius vėjo gūsius, ji priešinasi krušai, o sniego užsikimšimai netaps kliūtimi.

1. Duobė

Sukurti šiltnamį pradedama kasant duobę. Norint naudoti žemės šilumą vidiniam tūriui pašildyti, šiltnamį reikia pakankamai pagilinti. Kuo giliau, tuo šiltesnė žemė.
  Temperatūra per metus beveik nesikeičia 2–2,5 metro atstumu nuo paviršiaus. 1 m gylyje dirvožemio temperatūra svyruoja daugiau, tačiau žiemą jos vertė išlieka teigiama, paprastai vidurinėje juostoje temperatūra yra 4–10 C, priklausomai nuo sezono.
  Palaidotas šiltnamis įrengiamas per vieną sezoną. T. y., Žiemą jis jau galės veikti ir gauti pajamų. Statyba nėra pigi, tačiau panaudojant išradingumą ir kompromituojančias medžiagas, galima sutaupyti pažodžiui visą užsakymą, atliekant savotišką ekonomišką šiltnamio versiją, pradedant nuo pamatų duobės.
  Pvz., Darykite nedalyvaudami statybinės įrangos. Nors, be abejo, daugiausiai laiko reikalaujanti darbo dalis - kasti duobę, geriau ją atiduoti ekskavatoriui. Rankiniu būdu išimti tokį žemės plotą yra sunku ir ilgai.
  Duobės duobės gylis turėtų būti bent du metrai. Tokiame gylyje žemė pradės dalintis savo šiluma ir veiks kaip savotiškas termosas. Jei gylis yra mažesnis, tada iš esmės idėja veiks, tačiau pastebimai mažiau efektyviai. Todėl rekomenduojama negailėti pastangų ir išteklių gilinant būsimą šiltnamį.
  Požeminiai šiltnamiai gali būti bet kokio ilgio, tačiau geriau išlaikyti plotį per 5 metrus, jei plotis didesnis, tada pablogėja šildymo ir šviesos atspindžio kokybės savybės.
  Horizonto pusėse požeminiai šiltnamiai, kaip ir paprasti šiltnamiai bei židiniai, turi būti orientuoti iš rytų į vakarus, tai yra, kad viena iš pusių būtų nukreipta į pietus. Šioje padėtyje augalai gaus maksimalų saulės energijos kiekį.

2. Sienos ir stogas

Išilgai duobės perimetro pilamas pamatas arba klojami blokai. Pamatai yra sienos ir konstrukcijos rėmo pagrindas. Sienos geriausiai gaminamos iš medžiagų, pasižyminčių geromis šilumos izoliacijos savybėmis, šilumos blokai yra puikus pasirinkimas.

Stogo rėmas dažnai gaminamas iš medžio, iš strypų, įmirkytų antiseptinėmis medžiagomis. Stogo konstrukcija paprastai yra tiesinė. Konstrukcijos centre pritvirtinta kraigo sija, tam ant grindų per visą šiltnamio ilgį įrengiamos centrinės atramos.

Kraigo sija ir sienos yra sujungtos daugybe gegnių. Rėmas gali būti pagamintas be aukštų atramų. Jie pakeičiami mažais, kurie dedami ant skersinių sijų, jungiančių priešingas šiltnamio puses - tokia konstrukcija vidinę erdvę daro laisvesnę.

Kaip stogo dangą geriau pasiimti korinį polikarbonatą - populiarią modernią medžiagą. Atstumas tarp gegnių konstrukcijos metu yra pritaikytas prie polikarbonato lakštų pločio. Patogu dirbti su medžiaga. Danga gaunama nedaug jungčių, nes lakštai gaminami 12 m ilgio.

Jie pritvirtinami prie rėmo savisriegiais varžtais, geriau juos pasirinkti su skrybėlėmis poveržlės pavidalu. Norėdami išvengti lakšto įtrūkimų, po kiekvienu savisriegiu sraigtu reikia gręžti atitinkamo skersmens skylę. Naudojant atsuktuvą arba įprastą grąžtą su skersiniu, stiklas veikia labai greitai. Norint išvengti įtrūkimų, naudinga ant viršaus pakloti gegnes sandarikliu, pagamintu iš minkštos gumos ar kitos tinkamos medžiagos, ir tik tada pritvirtinti lakštus. Stogo viršūnę išilgai kraigo reikia kloti minkšta izoliacija ir prispausti žemyn tam tikru kampu: plastiku, iš alavo, iš kitos tinkamos medžiagos.

Norint užtikrinti gerą šilumos izoliaciją, stogas kartais gaminamas iš dvigubo polikarbonato sluoksnio. Nors skaidrumas sumažėja maždaug 10 proc., Jis pasižymi puikiomis šilumos izoliacijos savybėmis. Reikėtų pažymėti, kad sniegas ant tokio stogo neištirpsta. Todėl nuolydis turėtų būti pakankamu kampu, bent 30 laipsnių, kad ant stogo nesikauptų sniegas. Be to, drebėjimui yra sumontuotas elektrinis vibratorius, kuris apsaugos stogą tuo atveju, jei sniegas vis tiek kaupsis.

Dvigubas stiklinimas atliekamas dviem būdais:

Tarp dviejų lapų įdedamas specialus profilis, lakštai pritvirtinami prie rėmo iš viršaus;

Pirma, apatinis stiklinimo sluoksnis pritvirtinamas prie rėmo iš vidaus, prie gegnių apatinės pusės. Antrasis stogo sluoksnis yra padengtas, kaip įprasta, iš viršaus.

Baigę darbą, patartina visas jungtis klijuoti juostele. Gatavas stogas atrodo labai įspūdingai: be nereikalingų siūlių, lygus, be iškilių dalių.

3. Atšilimas ir šildymas

Sienų izoliacija atliekama taip. Pirmiausia turite kruopščiai sutepti tirpalu visas sienos jungtis ir siūles, čia galite patepti montavimo putomis. Vidinė sienų pusė padengta termoizoliacine plėvele.

Šaltuose šalies rajonuose pravartu naudoti folijos storio plėvelę, padengiančią sieną dvigubu sluoksniu.

Temperatūra šiltnamio dirvožemio gilumoje yra aukščiau nulio, tačiau šaltesnė nei oro temperatūra, reikalinga augalams augti. Viršutinį sluoksnį sušildo saulės spinduliai ir šiltnamio oras, tačiau vis tiek dirvožemis pašalina šilumą, todėl požeminiuose šiltnamiuose dažnai jie naudojasi „šiltų grindų“ technologija: kaitinimo elementas - elektros laidas - yra apsaugotas metalinėmis grotelėmis arba užpilamas betonu.

Antruoju atveju lovų dirvožemis pilamas ant betono arba žaluma auginama vazonuose ir vazonuose.

Jei šiltos visos grindys, gali pakakti šiltų grindų. Tačiau kombinuotas šildymas yra efektyvesnis ir patogesnis augalams: šiltos grindys + oro šildymas. Geram augimui jiems reikalinga 25–35 laipsnių oro temperatūra, esant maždaug 25 C žemės temperatūrai.

IŠVADA

Žinoma, palaidoto šiltnamio statyba kainuos brangiau, be to, reikės daugiau pastangų nei statant panašų įprasto dizaino šiltnamį. Tačiau lėšos, investuotos į termoso šiltnamį, laikui bėgant yra pateisinamos.

Pirma, tai taupo energiją šildant. Nesvarbu, kaip įprastas žemės šiltnamis šildomas žiemą, jis visada bus brangesnis ir sudėtingesnis nei panašus šildymo būdas požeminiame šiltnamyje. Antra, taupant apšvietimą. Sienų folijos izoliacija, atspindinti šviesą, dvigubai padidina apšvietimą. Mikroklimatas žiemą paaštrintame šiltnamyje bus palankesnis augalams, o tai tikrai turės įtakos produktyvumui. Daigai lengvai įsišaknys, subtilūs augalai jausis puikiai. Toks šiltnamis garantuoja stabilų, aukštą bet kurio augalo derlių ištisus metus.

Temperatūros pokytis atsižvelgiant į gylį. Žemės paviršius dėl netolygaus saulės šilumos suvartojimo yra šildomas arba aušinamas. Šie temperatūros svyravimai labai giliai įsiskverbia į Žemę. Taigi, dienos svyravimai 1 gylyje mpaprastai beveik nebejaučia. Kasmetiniai svyravimai prasiskverbia į skirtingą gylį: šiltose šalyse - 10–15 mo šalyse, kuriose šaltos žiemos ir karštos vasaros, iki 25–30 ir net 40 mGiliau 30–40 mjau visur Žemėje temperatūra nesikeičia. Pavyzdžiui, termometras, pastatytas Paryžiaus observatorijos rūsyje, daugiau nei 100 metų rodo 11 °, 85С.

Visame Žemės rutulyje stebimas pastovios temperatūros sluoksnis, kuris vadinamas pastovios ar neutralios temperatūros diržu. Šios juostos gylis, priklausomai nuo klimato sąlygų, yra skirtingas, o temperatūra yra maždaug vidutinė šios vietos metinė temperatūra.

Gilinantis į Žemę žemiau pastovios temperatūros sluoksnio, paprastai pastebimas laipsniškas temperatūros padidėjimas. Tai pirmiausia pastebėjo gilių kasyklų darbuotojai. Tai buvo pastebėta klojant tunelius. Taigi, pavyzdžiui, klojant Simplonskio tunelį (Alpėse), temperatūra pakilo iki 60 °, o tai sukėlė nemažus sunkumus eksploatuojant. Dar aukštesnė temperatūra stebima giliuose gręžiniuose. Pavyzdys yra Čukhovo šulinys (Aukštutinė Silezija), kuriame 2220 gylyje mtemperatūra buvo aukštesnė nei 80 ° (83 °, 1) ir tt Remiantis daugybe stebėjimų, atliktų įvairiose Žemės vietose, buvo galima nustatyti, kad vidutiniškai kas 33 mtemperatūra pakyla 1 ° С.

Kviečiamas metrų skaičius, kuriuo reikia gilintis į Žemę, kad temperatūra pakiltų 1 ° C geoterminė stadija.Geoterminė stadija skirtingais atvejais nėra tas pats ir dažniausiai ji svyruoja nuo 30 iki 35 mKai kuriais atvejais šie svyravimai gali būti didesni. Pavyzdžiui, Mičigano valstijoje (JAV), viename iš gręžinių, esančių prie ežero. Mičiganas, geoterminė stadija buvo ne 33, o 70 m.Priešingai, viename iš šulinių Meksikoje, 670 gylyje, buvo pastebėta labai maža geoterminė stadija. m  ten buvo vanduo, kurio temperatūra 70 °. Taigi geoterminė stadija buvo tik apie 12 mMaži geoterminiai laipteliai taip pat stebimi vulkaniniuose regionuose, kur negiliuose gyliuose vis dar gali būti nešildomų nešviežių uolienų sluoksnių. Bet visais tokiais atvejais ne tiek taisyklės, kiek išimtys.

Geoterminė stadija turi daug priežasčių. (Be to, kas išdėstyta aukščiau, galima nurodyti skirtingą uolienų šilumos laidumą, paklodės pobūdį ir kt.)

Didelę reikšmę paskirstant temperatūrą turi topografija. Pastarąjį galima aiškiai matyti pridėtame brėžinyje (23 pav.), Vaizduojančiame Alpių atkarpą išilgai Simplonskio tunelio su punktyrinėmis geoizotermomis (t. Y. Tos pačios temperatūros linijomis Žemės viduje). Geoizotermos čia kartoja reljefą, tačiau gyliui reljefo įtaka pamažu mažėja. (Stiprus geoizotermų lenkimas žemyn ties Balle yra dėl čia stebimos stiprios vandens cirkuliacijos.)

Žemės temperatūra dideliame gylyje.   Temperatūrų stebėjimas gręžiniuose, kurių gylis retai viršija 2–3 kmnatūralu, kad jie negali susidaryti nuomonės apie gilesnių Žemės sluoksnių temperatūrą. Bet čia mums padeda kai kurie žemės plutos gyvenimo reiškiniai. Tarp šių reiškinių yra vulkanizmas. Vulkanai, plačiai paplitę žemės paviršiuje, ištirpdo lavas į Žemės paviršių, kurių temperatūra viršija 1000 °. Todėl dideliame gylyje oro temperatūra viršija 1000 °.

Buvo laikas, kai mokslininkai, remdamiesi geotermine stadija, bandė apskaičiuoti gylį, kuriame temperatūra gali būti net 1000–2000 °. Tačiau tokie skaičiavimai negali būti laikomi pakankamai pagrįstais. Stebėjimai apie aušinančio bazalto rutulio temperatūrą ir teoriniai skaičiavimai leidžia teigti, kad geoterminės stadijos didėja didėjant gyliui. Tačiau kol kas ir kokiu mastu šis padidėjimas vyksta, šiuo metu taip pat negalime pasakyti.

Jei darome prielaidą, kad temperatūra nuolat didėja gyliu, tada Žemės centre ji turėtų būti matuojama dešimtimis tūkstančių laipsnių. Esant tokiai temperatūrai, visos mums žinomos uolienos turėtų patekti į skystą būseną. Tiesa, Žemės viduje yra milžiniškas slėgis, ir mes nieko nežinome apie kūnų būklę esant panašiam slėgiui. Nepaisant to, mes neturime duomenų, patvirtinančių, kad temperatūra nuolat didėja gyliui didėjant. Dabar dauguma geofizikų priėjo prie išvados, kad temperatūra Žemės viduje vargu ar gali būti didesnė kaip 2000 °.

Šilumos šaltiniai. Šilumos šaltiniai, lemiantys vidinę Žemės temperatūrą, gali būti skirtingi. Remiantis hipotezėmis, pagal kurias Žemė yra suformuota iš įkaitusios ir išlydytos masės, vidine šiluma reikia laikyti likusį kūno paviršiaus šilumą. Tačiau yra pagrindo manyti, kad Žemės vidinė aukšta temperatūra gali būti urano, torio, aktinourano, kalio ir kitų uolienų elementų radioaktyvusis skilimas. Radioaktyvieji elementai dažniausiai pasiskirsto rūgščiose žemės paviršiaus apvalkalo uolienose, mažiau jų randama giluminėse bazinėse uolienose. Tuo pačiu metu pagrindinės uolienos yra turtingesnės už geležinius meteoritus, kurie laikomi kosminių kūnų vidinių dalių fragmentais.

Nepaisant nedidelio radioaktyviųjų medžiagų kiekio uolienose ir lėto jų skilimo, bendras dėl radioaktyvaus skilimo atsirandantis šilumos kiekis yra didelis. Sovietų geologas V. G. Khlopinapskaičiavo, kad radioaktyviųjų elementų, esančių viršutiniame 90 kilometrų žemės apvalkale, pakanka, kad radiacija prarastų planetos šilumos nuostolius. Kartu su radioaktyviu skilimu, šiluminė energija išsiskiria suspaudžiant žemės medžiagą, vykstant cheminėms reakcijoms ir pan.

- Šaltinis—

Polovinkinas, A.A. Bendrosios geografijos pagrindai / A.A. Polovinkin.- M .: RSFSR Švietimo ministerijos valstybinė švietimo ir pedagogų leidykla, 1958.- 482 p.

Skelbimo peržiūros: 179

Mūsų šalyje, kurioje gausu angliavandenilių, geoterminė energija yra egzotiškas šaltinis, kuris šiandienos situacijoje vargu ar konkuruos su nafta ir dujomis. Nepaisant to, ši alternatyvi energijos rūšis gali būti naudojama beveik visur ir gana efektyviai.

Geoterminė energija yra žemės vidaus šiluma. Jis gaunamas gelmėse ir įvairiomis formomis ir skirtingo intensyvumo patenka į Žemės paviršių.

Viršutinių dirvožemio sluoksnių temperatūra daugiausia priklauso nuo išorinių (egzogeninių) veiksnių - saulės apšvietimo ir oro temperatūros. Vasarą ir dieną dirvožemis sušyla iki tam tikro gylio, o žiemą ir naktį jis atšyla pasikeitus oro temperatūrai ir esant tam tikram vėlavimui, didėjant gyliui. Kasdieniniai oro temperatūros svyravimai daro įtaką gylyje nuo vienetų iki kelių dešimčių centimetrų. Sezoninės vibracijos užfiksuoja gilesnius dirvožemio sluoksnius - iki dešimčių metrų.

Tam tikrame gylyje - nuo dešimčių iki šimtų metrų - dirvožemio temperatūra palaikoma pastovi, lygi vidutinei metinei oro temperatūrai Žemės paviršiuje. Tai lengva patikrinti nusileidus į gana gilų urvą.

Kai vidutinė metinė oro temperatūra tam tikroje srityje yra žemiau nulio, tai pasireiškia kaip amžinasis įšalas (tiksliau, daugiametis). Rytų Sibire visus metus užšalusių dirvožemių storis, ty storis, siekia 200–300 m.

Nuo tam tikro gylio (savas kiekvienam žemėlapio taškui savas) Saulės ir atmosferos veiksmai tiek susilpnėja, kad pirmiausia pasirodo endogeniniai (vidiniai) veiksniai ir žemės vidus yra įkaitinamas iš vidaus, kad temperatūra gyliui pradėjus didėti.

Giliųjų žemės sluoksnių įkaitimas daugiausia susijęs su ten esančių radioaktyviųjų elementų irimu, nors vadinami ir kiti šilumos šaltiniai, pavyzdžiui, fizikiniai ir cheminiai, tektoniniai procesai giliuose žemės plutos ir mantijos sluoksniuose. Bet kokia tai bebūtų, uolienų ir su jomis susijusių skystų ir dujinių medžiagų temperatūra didėja gyliu. Kalnakasiai susiduria su šiuo reiškiniu - giluminėse kasyklose visada karšta. 1 km gylyje trisdešimt laipsnių šiluma yra normali, o giliau temperatūra yra dar aukštesnė.

Šilumos srautas Žemės viduje, pasiekiantis Žemės paviršių, yra mažas - vidutiniškai jo galia yra 0,03–0,05 W / m 2, arba apie 350 W · h / m 2 per metus. Atsižvelgiant į Saulės šilumos srautą ir jos šildomą orą, tai nepastebima vertė: Saulė kiekvienam žemės paviršiaus kvadratiniam metrui per metus suteikia apie 4000 kWh, tai yra 10 000 kartų daugiau (žinoma, tai vidutiniškai yra didelis skirtumas tarp poliarinės ir pusiaujo platumos). ir priklausomai nuo kitų klimato ir oro veiksnių).

Šilumos srauto iš žarnų į paviršių didžiojoje planetos dalyje nereikšmingumas yra susijęs su mažu uolienų šilumos laidumu ir geologinės struktūros ypatybėmis. Tačiau yra išimčių - vietos, kuriose didelis šilumos srautas. Visų pirma, tai yra tektoninių gedimų, padidėjusio seisminio aktyvumo ir vulkanizmo zonos, kur žemės vidaus energija randa išeitį. Tokioms zonoms būdingos litosferos šiluminės anomalijos, čia šilumos paviršius, pasiekiantis Žemės paviršių, gali būti kelis kartus ar net pagal dydį galingesnis nei „įprastas“. Šių zonų paviršiuje didžiulį šilumos kiekį išskiria ugnikalnių išsiveržimai ir karštos vandens versmės.

Būtent šios sritys yra palankiausios geoterminės energijos plėtrai. Rusijos teritorijoje tai pirmiausia Kamčiatka, Kurilų salos ir Kaukazas.

Tuo pačiu metu geoterminę energiją galima vystyti beveik visur, nes temperatūros padidėjimas gyliu yra universalus reiškinys, o užduotis yra „išgauti“ šilumą iš žarnyno, panašiai kaip ten, kur išgaunamos mineralinės žaliavos.

Vidutiniškai temperatūra su gyliu pakyla 2,5–3 ° C kas 100 m. Temperatūros skirtumo tarp dviejų taškų, esančių skirtinguose gyliuose, ir gylio skirtumo tarp jų santykis vadinamas geoterminiu gradientu.

Abipusė yra geoterminė stadija arba gylių intervalas, kai temperatūra pakyla 1 ° C.

Kuo didesnis nuolydis ir, atitinkamai, kuo žemesnis laiptelis, tuo arčiau Žemės gelmių šiluma artėja prie paviršiaus ir tuo perspektyvesnė ši sritis yra geoterminės energijos plėtrai.

Skirtingose \u200b\u200bvietose, priklausomai nuo geologinės struktūros ir kitų regioninių bei vietinių sąlygų, temperatūros padidėjimo greitis gylio atžvilgiu gali labai skirtis. Žemės mastu geoterminių nuolydžių ir pakopų verčių svyravimai siekia 25 kartus. Pavyzdžiui, Oregone (JAV) nuolydis yra 150 ° C per 1 km, o Pietų Afrikoje - 6 ° C per 1 km.

Kyla klausimas, kokia yra temperatūra dideliame gylyje - 5, 10 km ar daugiau? Jei tendencija išliks, 10 km gylyje temperatūra turėtų būti vidutiniškai apie 250–300 ° C. Tai daugiau ar mažiau patvirtina tiesioginiai stebėjimai labai giliuose šuliniuose, nors vaizdas yra daug sudėtingesnis nei tiesinis temperatūros padidėjimas.

Pavyzdžiui, „Kola“ giluminiame šulinyje, išgręžtame Baltijos kristalų skyde, temperatūra iki 3 km gylio keičiasi 10 ° C / 1 km greičiu, o tada geoterminis nuolydis tampa 2–2,5 karto didesnis. 7 km gylyje jau užfiksuota 120 ° C temperatūra, 10 km - 180 ° C, o 12 km - 220 ° C.

Kitas pavyzdys - šulinys Šiaurės Kaspijos regione, kur 500 m gylyje temperatūra buvo užfiksuota 42 ° C, 1,5 km - 70 ° C, 2 km - 80 ° C, 3 km - 108 ° C temperatūroje.

Manoma, kad geoterminis gradientas mažėja pradedant nuo 20–30 km gylio: 100 km gylyje numatoma temperatūra yra apie 1300–1500 ° C, 400 km – 1600 ° C gylyje, žemės šerdyje (gylis virš 6000 km) - 4000–5000 °. C.

10–12 km gylyje temperatūra matuojama per išgręžtus šulinius; ten, kur jų nėra, ją lemia netiesioginiai bruožai taip pat, kaip ir didesniame gylyje. Tokie netiesioginiai požymiai gali būti seisminių bangų praleidimo pobūdis arba liejančios lavos temperatūra.

Tačiau geoterminės energijos tikslais duomenys apie temperatūrą didesniame nei 10 km gylyje dar nėra svarbūs.

Kelių kilometrų gylyje yra daug šilumos, bet kaip ją pakelti? Kartais pati gamta išsprendžia šią problemą mums naudodama natūralų aušinimo skystį - šildomus terminius vandenis, kurie kyla į paviršių arba guli mums prieinamame gylyje. Kai kuriais atvejais vanduo gilumoje yra įkaitinamas iki garo.

Nėra griežtai apibrėžta termino „terminiai vandenys“. Paprastai jie reiškia karštą skysto arba garo pavidalo požeminį vandenį, įskaitant tuos, kurie pasiekia Žemės paviršių, kai temperatūra yra aukštesnė nei 20 ° C, tai yra, paprastai, aukštesnė nei oro temperatūra.

Požeminio vandens, garo, garo ir vandens mišinių šiluma yra hidroterminė energija. Atitinkamai energija, pagrįsta jos naudojimu, vadinama hidrotermine.

Padėtis sudėtingesnė gaminant šilumą tiesiai iš sausų uolienų - naftos energijos, ypač todėl, kad pakankamai aukšta temperatūra, kaip taisyklė, prasideda nuo kelių kilometrų gylio.

Rusijoje naftos energijos potencialas yra šimtą kartų didesnis nei hidroterminės energijos - atitinkamai 3500 ir 35 trilijonai tonų standartinio kuro. Tai gana natūralu - visur yra žemės gelmių šiluma, o šiluminiai vandenys aptinkami vietoje. Tačiau dėl akivaizdžių techninių sunkumų šiluminiai vandenys šiuo metu naudojami šilumai ir elektrai gaminti.

Vanduo, kurio temperatūra yra nuo 20-30 iki 100 ° C, yra tinkamas šildymui, 150 ° C ir aukštesnei temperatūrai - ir elektrai gaminti geoterminėse elektrinėse.

Apskritai geoterminiai ištekliai Rusijoje standartinio kuro ar bet kurio kito energijos vieneto tonomis yra maždaug 10 kartų didesni nei iškastinio kuro atsargos.

Teoriškai tik dėl geoterminės energijos būtų galima visiškai patenkinti šalies energijos poreikius. Šiuo metu didžiojoje jos teritorijos dalyje tai neįmanoma dėl techninių ir ekonominių priežasčių.

Pasaulyje geoterminės energijos naudojimas dažniausiai siejamas su Islandija - šalimi, esančia Vidurio Atlanto kalnagūbrio šiauriniame gale, išskirtinai aktyvioje tektoninėje ir vulkaninėje zonoje. Tikriausiai visi prisimena galingą Eyyafyatlayokudl ugnikalnio išsiveržimą ( Eyjafjallajökull) 2010 m.

Būtent dėl \u200b\u200bšios geologinės specifikos Islandija turi didžiulius geoterminės energijos atsargas, įskaitant karštuosius šaltinius, pasiekiančius Žemės paviršių ir net gesintus geizerių pavidalu.

Islandijoje daugiau nei 60% visos sunaudotos energijos yra paimta iš Žemės. Įskaitant dėl \u200b\u200bgeoterminių šaltinių, tiekiama 90% šilumos ir 30% elektros energijos. Pridedame, kad likusi šalies elektros energija gaminama hidroelektrinėse, tai yra, naudojant ir atsinaujinantį energijos šaltinį, todėl Islandija atrodo kaip savotiškas pasaulinis aplinkos standartas.

XX amžiaus geoterminės energijos „sutramdymas“ labai padėjo Islandijai ekonomiškai. Iki praėjusio amžiaus vidurio ji buvo labai skurdi šalis, dabar ji užima pirmąją vietą pasaulyje pagal įrengtą pajėgumą ir geoterminės energijos gamybą vienam gyventojui ir yra dešimtuke pagal geoterminių jėgainių įrengtos galingumo absoliučią vertę. Tačiau jos gyventojų skaičius yra tik 300 tūkst. Žmonių, o tai palengvina užduotį pereiti prie ekologiškų energijos šaltinių: jo poreikiai paprastai yra nedideli.

Be Islandijos, didelę geoterminės energijos dalį bendrame elektros energijos gamybos balanse teikia Naujoji Zelandija ir Pietryčių Azijos salų valstybės (Filipinai ir Indonezija), Centrinė Amerika ir Rytų Afrika, kurių teritorija taip pat pasižymi dideliu seisminiu ir vulkaniniu aktyvumu. Šioms šalims, atsižvelgiant į dabartinį išsivystymo lygį ir poreikius, geoterminė energija reikšmingai prisideda prie socialinio ir ekonominio vystymosi.

Geoterminės energijos naudojimas turi labai ilgą istoriją. Vienas iš pirmųjų žinomų pavyzdžių yra Italija, Toskanos provincijos, dabar vadinamos Larderello, vieta, kurioje dar XIX amžiaus pradžioje energetikos tikslais buvo naudojami vietiniai karšti terminiai vandenys, kurie liejosi natūraliai arba buvo išgaunami iš negilių šulinių.

Vanduo iš požeminių šaltinių, kuriame gausu boro, buvo naudojamas boro rūgščiai gaminti. Iš pradžių ši rūgštis buvo gaunama garinant geležiniuose katiluose, o įprastos malkos iš netoliese esančių miškų buvo imamos kaip kuras, tačiau 1827 m. Francesco Larderel sukūrė sistemą, kuri veikė pačių vandenų šilumą. Tuo pačiu metu natūralių vandens garų energiją jie pradėjo naudoti gręžimo platformoms eksploatuoti, o XX amžiaus pradžioje - vietinių namų ir šiltnamių šildymui. Toje pačioje vietoje, Larderello mieste, 1904 m. Terminiai vandens garai tapo energijos šaltiniu elektros energijai gaminti.

XIX pabaigos pabaigoje – XX amžiaus pradžioje Italijos pavyzdžiu pasekė kelios kitos šalys. Pavyzdžiui, 1892 m. Terminis vanduo pirmą kartą buvo naudojamas vietiniam šildymui JAV (Boise, Aidahas), 1919 m. - Japonijoje, 1928 m. - Islandijoje.

JAV pirmoji hidroterminė jėgainė pasirodė 30-ojo dešimtmečio pradžioje Kalifornijoje, 1958 m. - Naujojoje Zelandijoje, 1959 m. - Meksikoje, 1965 m. - Rusijoje (pirmoji pasaulyje dvejetainė „GeoPP“). .

Senas naujo šaltinio principas

Elektros energijai gaminti reikalinga aukštesnė hidraulinio šaltinio temperatūra nei šildymui - daugiau kaip 150 ° C. Geoterminės elektrinės (GeoES) veikimo principas yra panašus į įprastinės šiluminės elektrinės (TPP) veikimo principą. Tiesą sakant, geoterminė jėgainė yra šiluminės elektrinės rūšis.

TPP paprastai anglis, dujos arba mazutas veikia kaip pagrindinis energijos šaltinis, o vandens garai - kaip darbinis skystis. Degalai, deginant, šildo vandenį iki garo būsenos, kuri suka garo turbiną ir ji gamina elektrą.

„GeoES“ skirtumas yra tas, kad pagrindinis energijos šaltinis čia yra žemės vidaus šiluma, o darbinis skystis garo pavidalu patenka į elektros generatoriaus turbinos mentes „baigta“ forma tiesiai iš gamybos šulinio.

Yra trys pagrindinės „GeoES“ veikimo schemos: tiesioginis, naudojant sausą (geoterminį) garą; netiesioginis, pagrįstas hidroterminiu vandeniu, ir mišrus, arba dvejetainis.

Tam tikros schemos naudojimas priklauso nuo agregacijos būsenos ir energijos nešiklio temperatūros.

Paprasčiausia ir todėl pirmoji iš įvaldytų schemų yra tiesi linija, kurioje iš šulinio gaunami garai yra perduodami tiesiai per turbiną. Pirmasis pasaulyje GeoPP 1904 m. Larderelo taip pat dirbo sausu garu.

GeoES su netiesiogine darbo schema mūsų laikais yra labiausiai paplitusi. Jie naudoja karštą požeminį vandenį, kuris, esant dideliam slėgiui, pumpuojamas į garintuvą, kur dalis jo yra išgarinamas, o gaunami garai suka turbiną. Kai kuriais atvejais geoterminiam vandeniui ir garui iš agresyvių junginių valyti reikalingi papildomi įtaisai ir grandinės.

Atliekų garai patenka į įpurškimo šulinį arba yra naudojami patalpoms šildyti - šiuo atveju principas yra tas pats, kaip CHP eksploatavimo metu.

Dvejetainiuose „GeoPP“ elementuose karštas terminis vanduo sąveikauja su kitu skysčiu, kuris veikia kaip darbinis skystis, kurio virimo temperatūra yra žemesnė. Abu skysčiai praleidžiami per šilumokaitį, kuriame šiluminis vanduo išgarina darbinį skystį, kurio garai suka turbiną.

Ši sistema yra uždara, kuri išsprendžia oro išmetimo problemą. Be to, darbiniai skysčiai, kurių virimo temperatūra yra gana žema, kaip pagrindinį energijos šaltinį leidžia naudoti ne labai karštus terminius vandenis.

Visose trijose schemose naudojamas hidroterminis šaltinis, tačiau petroterminė energija taip pat gali būti naudojama elektros energijai gaminti.

Grandinės schema šiuo atveju taip pat yra gana paprasta. Būtina gręžti du sujungtus šulinius - įpurškimo ir gamybos. Vanduo pumpuojamas į įpurškimo šulinį. Gylyje jis kaitinamas, tada į paviršių paduodamas pašildytas vanduo arba garai, susidarantys dėl stipraus kaitinimo per gamybos šulinį. Be to, viskas priklauso nuo to, kaip naudojama naftos energija - šildymui ar elektros energijai gaminti. Uždarytas ciklas yra įmanomas, kai atliekų garas ir vanduo įpurškiami atgal į įpurškimo šulinį arba kitu būdu.

Tokios sistemos trūkumas yra akivaizdus: norint gauti pakankamai aukštą darbinio skysčio temperatūrą, reikia gręžti šulinius į didesnį gylį. Tai yra rimtos išlaidos ir didelių šilumos nuostolių rizika skysčiui judant aukštyn. Todėl petroterminės sistemos iki šiol yra rečiau nei hidroterminės sistemos, nors peteroterminės energijos potencialas yra laipsniais didesnis.

Šiuo metu Australija yra vadinamųjų petroterminės cirkuliacijos sistemų (PCS) kūrimo lyderė. Be to, ši geoterminės energijos kryptis aktyviai vystosi JAV, Šveicarijoje, Didžiojoje Britanijoje ir Japonijoje.

Lordo Kelvino dovana

1852 m. Fiziko Williamo Thompsono (dar žinomo kaip lordas Kelvinas) išrastas šilumos siurblys suteikė žmonijai realią galimybę panaudoti žemos kokybės viršutinių dirvožemio sluoksnių šilumą. Šilumos siurblio sistema arba, kaip ją vadino Thompsonas, šilumos daugiklis, pagrįsta fiziniu šilumos perdavimo iš aplinkos į šaltnešį procesu. Tiesą sakant, jis naudoja tą patį principą, kaip ir petroterminėse sistemose. Skirtumas yra šilumos šaltinyje, dėl kurio gali kilti terminologinis klausimas: kiek šilumos siurblį galima laikyti geotermine sistema? Faktas yra tas, kad viršutiniuose sluoksniuose iki dešimčių iki šimtų metrų gylio uolienas ir juose esančius skysčius kaitina ne gilus žemės karštis, bet saulė. Taigi šiuo atveju tai yra saulė - pagrindinis šilumos šaltinis, nors ji, kaip ir geoterminėse sistemose, yra paimta iš žemės.

Šilumos siurblio veikimas pagrįstas dirvožemio kaitinimo ir aušinimo vėlavimu, palyginti su atmosfera, dėl to tarp paviršiaus ir gilesnių sluoksnių susidaro temperatūros gradientas, kuris sulaiko šilumą net žiemą, panašiai kaip tai vyksta vandens telkiniuose. Pagrindinis šilumos siurblių tikslas yra patalpų šildymas. Tiesą sakant, tai yra „šaldytuvas, atvirkščiai“. Tiek šilumos siurblys, tiek šaldytuvas sąveikauja su trimis komponentais: vidine aplinka (pirmuoju atveju - šildoma patalpa, antruoju - šaldytuvo šaldytuvo kamera), išorine aplinka - energijos šaltiniu ir šaltnešiu (šaltnešiu), tai taip pat šilumos nešiklis, užtikrinantis šilumos perdavimą. šalta.

Medžiaga, kurios virimo temperatūra yra žema, veikia kaip šaltnešis, kuris leidžia jai paimti šilumą iš šaltinio, kurio temperatūra netgi yra žema.

Šaldytuve skystas šaltnešis per droselį (slėgio reguliatorių) patenka į garintuvą, kur dėl staigaus slėgio sumažėjimo skystis išgaruoja. Garinimas yra endoterminis procesas, kuriam reikalingas šilumos absorbavimas iš išorės. Dėl to iš garintuvo vidinių sienelių paimama šiluma, kuri šaldymo kameroje sukuria vėsinimo efektą. Be to, šaltnešis įsiurbiamas į kompresorių iš garintuvo, kur jis grįžta į skystą agregacijos būseną. Tai atvirkštinis procesas, dėl kurio į aplinką patenka šiluma. Paprastai jis įmetamas į kambarį, o šaldytuvo užpakalinė siena yra gana šilta.

Šilumos siurblys veikia beveik taip pat, tuo skirtumu, kad šiluma yra paimama iš išorinės aplinkos ir per garintuvą patenka į vidinę aplinką - kambario šildymo sistemą.

Tikrame šilumos siurblyje vanduo yra pašildomas, einantis per išorinę grandinę, įleistą į žemę ar tvenkinį, tada jis patenka į garintuvą.

Garintuve šiluma perduodama į vidinę grandinę, užpildytą žemos virimo temperatūros šaltnešiu, kuris, eidamas pro garintuvą, iš skysčio pereina į dujinę būseną, paimdamas šilumą.

Toliau dujinis šaltnešis patenka į kompresorių, kur jis suspaudžiamas iki aukšto slėgio ir temperatūros, ir patenka į kondensatorių, kur šiluma keičiasi tarp karštų dujų ir aušinimo skysčio iš šildymo sistemos.

Norint, kad kompresorius veiktų, reikalinga elektra, tačiau šiuolaikinių sistemų transformacijos santykis (sunaudotos ir pagamintos energijos santykis) yra pakankamai didelis, kad būtų užtikrintas jų efektyvumas.

Šiuo metu šilumos siurbliai gana plačiai naudojami patalpų šildymui, daugiausia ekonomiškai išsivysčiusiose šalyse.

Ekologiškai teisinga energija

Geoterminė energija laikoma ekologiška, o tai yra tiesa. Visų pirma, tam naudojami atsinaujinantys ir praktiškai neišsemiami ištekliai. Geoterminei energijai, priešingai nei didelėms hidroelektrinėms ar vėjo jėgainėms, nereikia didelių plotų ir, priešingai nei angliavandenilių energijai, ji neteršia atmosferos. Vidutiniškai „GeoPP“ užima 400 m 2, palyginti su 1 GW pagamintos elektros energijos. Pavyzdžiui, tas pats anglies AE rodiklis yra 3600 m 2. Ekologiniai „GeoPP“ pranašumai taip pat yra mažos vandens sąnaudos - 20 litrų gėlo vandens už 1 kW, tuo tarpu šiluminėms elektrinėms ir atominėms elektrinėms reikia apie 1000 litrų. Atminkite, kad tai yra „vidutinio“ „GeoES“ aplinkos rodikliai.

Tačiau vis dar yra neigiamo šalutinio poveikio. Tarp jų dažniausiai išskiriamas triukšmas, šiluminė atmosferos tarša bei cheminė vandens ir dirvožemio tarša, taip pat kietųjų atliekų susidarymas.

Pagrindinis cheminės aplinkos taršos šaltinis yra pats šiluminis vanduo (turintis aukštą temperatūrą ir mineralizaciją), kuriame dažnai yra didelis kiekis nuodingų junginių, todėl kyla nuotekų ir pavojingų medžiagų šalinimo problema.

Neigiamą geoterminės energijos poveikį galima atsekti keliais etapais, pradedant nuo gręžinių gręžimo. Gręžiant bet kurį gręžinį kyla tokie patys pavojai: žemės dangos sunaikinimas, dirvožemio ir požeminio vandens užteršimas.

GeoPP veiklos etape išlieka aplinkos taršos problemos. Šiluminiuose skysčiuose - vandenyje ir garuose - paprastai yra anglies dioksido (CO 2), sieros sulfido (H 2 S), amoniako (NH 3), metano (CH 4), natrio chlorido (NaCl), boro (B), arseno (As). ), gyvsidabrio (Hg). Išleidžiami į aplinką, jie tampa jos taršos šaltiniais. Be to, agresyvi cheminė aplinka gali sukelti korozijos žalą „GeoTES“ konstrukcijoms.

Tuo pačiu metu „GeoPP“ teršalų išmetimas yra vidutiniškai mažesnis nei AE. Pvz., Anglies dioksido išmetimas į kilovatvalandę pagamintos elektros energijos yra iki 380 g GeoPP, 1042 g anglies TPP, 906 g mazuto ir 453 g dujų TPP.

Iškyla klausimas: ką daryti su nuotekomis? Esant mažai druskingumui, jis gali būti išpilamas į paviršinius vandenis atvėsus. Kitas būdas yra perpumpuoti jį atgal į vandeningąjį sluoksnį per įpurškimo šulinį, kuris šiuo metu ir yra geriausiai naudojamas.

Šiluminio vandens gavyba iš vandeningųjų sluoksnių (taip pat ir išpumpavimas iš paprasto vandens) gali sukelti dirvožemio sustingimą ir judėjimą, kitas geologinių sluoksnių deformacijas ir mikroakvatakus. Paprastai tokių reiškinių tikimybė yra nedidelė, nors buvo užfiksuota pavienių atvejų (pavyzdžiui, GeoPP Staufen im Breisgau mieste, Vokietijoje).

Reikėtų pabrėžti, kad dauguma geoPP yra santykinai retai apgyvendintose teritorijose ir trečiojo pasaulio šalyse, kur aplinkos reikalavimai yra ne tokie griežti kaip išsivysčiusiose šalyse. Be to, šiuo metu „GeoPP“ skaičius ir jų talpa yra palyginti menki. Plačiau plėtojant geoterminę energiją, rizika aplinkai gali didėti ir didėti.

Kiek energijos turi žemė?

Investicinės išlaidos geoterminių sistemų statybai skiriasi labai įvairiai - nuo 200 USD iki 5000 USD už 1 kW instaliuotos galios, tai yra, pigiausios galimybės yra palyginamos su šiluminės elektrinės pastatymo kaina. Jie visų pirma priklauso nuo terminių vandenų atsiradimo sąlygų, jų sudėties ir sistemos projekto. Gręžiant į didelį gylį, sukuriant uždarą sistemą su dviem šuliniais, vandens valymo poreikis gali padidinti išlaidas.

Pavyzdžiui, investicijos į petroterminės cirkuliacinės sistemos (CCP) sukūrimą yra 1,6–4 tūkstančiai dolerių už 1 kW įrengtos galios, o tai viršija atominės elektrinės statybos sąnaudas ir yra panaši į vėjo ir saulės jėgainių statybos kainą.

Akivaizdus „GeoTES“ ekonominis pranašumas yra nemokamas energijos šaltinis. Palyginimui, veikiančios AE arba AE sąnaudų struktūroje kuras sudaro 50–80% ar net daugiau, atsižvelgiant į dabartines energijos kainas. Taigi, dar vienas geoterminės sistemos pranašumas: eksploatavimo išlaidos yra stabilesnės ir nuspėjamos, nes jos nepriklauso nuo energijos kainų išorinės aplinkos. Apskritai, „GeoTES“ eksploatavimo išlaidos yra 2–10 centų (60 kapeikų - 3 rubliai) už 1 kWh pagamintos galios.

Antras pagal dydį (po didelių energijos) išlaidų punktas, kaip taisyklė, yra gamyklos personalo atlyginimas, kuris gali radikaliai skirtis įvairiose šalyse ir regionuose.

Vidutiniškai 1 kWh geoterminės energijos savikaina yra panaši į TPP kainą (Rusijos sąlygomis - apie 1 rublis / 1 kWh) ir dešimt kartų didesnė nei elektros energijos gamybos hidroelektrinėse kaina (5–10 kapeikų / 1 kWh). )

Iš dalies brangumo priežastis yra ta, kad, skirtingai nei šiluminės ir hidraulinės jėgainės, „GeoTES“ talpa yra palyginti maža. Be to, būtina palyginti sistemas, esančias tame pačiame regione ir panašiomis sąlygomis. Taigi, pavyzdžiui, Kamčiatkoje, ekspertų teigimu, 1 kWh geoterminės elektros energijos kainuoja 2–3 kartus pigiau nei vietinėse šiluminėse elektrinėse pagaminta elektra.

Geoterminės sistemos ekonominio efektyvumo rodikliai priklauso, pavyzdžiui, nuo to, ar reikia išmesti nuotekas ir kaip tai daroma, ar įmanoma kartu naudoti išteklius. Taigi cheminiai elementai ir junginiai, išgaunami iš terminio vandens, gali suteikti papildomų pajamų. Prisiminkime Larderella pavyzdį: cheminė gamyba ten buvo pagrindinė, o geoterminė energija iš pradžių buvo pagalbinio pobūdžio.

Geoterminiai pirmyn

Geoterminė energija vystosi kiek kitaip nei vėjas ir saulė. Šiuo metu tai daug labiau priklauso nuo paties išteklių pobūdžio, kuris labai skiriasi pagal regionus, o didžiausia koncentracija yra susijusi su siauromis geoterminių anomalijų zonomis, paprastai susijusiomis su tektoninių gedimų ir vulkanizmo išsivystymo sritimis.

Be to, geoterminė energija yra mažiau technologiškai pajėgi, palyginti su vėjo, o dar labiau - saulės energija: geoterminių stočių sistemos yra gana paprastos.

Bendroje pasaulio elektros energijos gamybos struktūroje geoterminis komponentas sudaro mažiau nei 1%, tačiau kai kuriuose regionuose ir šalyse jo dalis siekia 25–30%. Dėl geologinių sąlygų nemaža dalis geoterminės energijos galios yra sukoncentruota trečiojo pasaulio šalyse, kur išskiriamos trys didžiausios pramonės plėtros grupės - Pietryčių Azijos, Centrinės Amerikos ir Rytų Afrikos salos. Pirmieji du regionai yra įtraukti į Ramiojo vandenyno „Žemės ugnies juostą“, trečiasis yra susijęs su Rytų Afrikos plyšiu. Greičiausiai šiose zonose toliau vystysis geoterminė energija. Tolimesnė perspektyva yra petroterminės energijos vystymasis, naudojant žemės sluoksnių, esančių kelių kilometrų gylyje, šilumą. Tai yra praktiškai paplitęs šaltinis, tačiau jo gavyba yra brangi, todėl naftos energija vystosi pirmiausia ekonomiškai ir technologiškai galingiausiose šalyse.

Apskritai, atsižvelgiant į platų geoterminių išteklių paskirstymą ir priimtiną aplinkos saugos lygį, yra pagrindo manyti, kad geoterminė energija turi geras plėtros perspektyvas. Ypač didėjant tradicinių energijos šaltinių deficito ir kylančių jų grėsmei.

Nuo Kamčiatkos iki Kaukazo

Rusijoje geoterminės energijos plėtra turi gana ilgą istoriją ir daugelyje pozicijų esame tarp pasaulio lyderių, nors geoterminės energijos dalis bendrame milžiniškos šalies energijos balanse vis dar nedidelė.

Du regionai tapo geoterminės energijos plėtros pradininkais ir centrais Rusijoje - Kamčiatkoje ir Šiaurės Kaukaze, o jei pirmuoju atveju mes pirmiausia kalbame apie elektros energijos pramonę, tada antruoju - apie šiluminio vandens šiluminės energijos naudojimą.

Šiaurės Kaukaze - Krasnodaro teritorijoje, Čečėnijoje, Dagestane - šiluminių vandenų šiluma energetiniams tikslams buvo naudojama dar prieš Didįjį Tėvynės karą. 1980–1990 m. Geoterminės energijos plėtra regione dėl akivaizdžių priežasčių sustojo ir iki šiol neišėjo iš sąstingio. Nepaisant to, geoterminis vandens tiekimas Šiaurės Kaukaze teikia šilumą maždaug 500 tūkst. Žmonių, ir, pavyzdžiui, 60 tūkstančių gyventojų turintis Labinsko miestas Krasnodaro teritorijoje yra visiškai šildomas geoterminių vandenų.

Kamčiatkoje geoterminės energijos istorija visų pirma siejama su GeoPP statyba. Pirmoji iš jų, vis dar eksploatuojanti „Pauzhetskaya“ ir „Paratunskaya“ stotis, buvo pastatyta dar 1965–1967 m., O „Paratunskaya GeoPP“, kurios galia buvo 600 kW, buvo pirmoji stotis pasaulyje su dvejetainiu ciklu. Tai sukūrė sovietiniai mokslininkai S. S. Kutateladze ir A. M. Rosenfeld iš SB RAS Termofizikos instituto, kurie 1965 m. Gavo autorių teisių pažymėjimą už elektros išgavimą iš vandens, kurio temperatūra 70 ° C. Ši technologija vėliau tapo daugiau nei 400 dvejetainių geoelektrinių jėgainių prototipu pasaulyje.

1966 m. Pradėto eksploatuoti Pauzhetskaya geoPP galia iš pradžių siekė 5 MW, vėliau buvo padidinta iki 12 MW. Šiuo metu stotyje statomas dvejetainis blokas, kuris padidins jo galingumą dar 2,5 MW.

Geoterminės energijos plėtrai TSRS ir Rusijoje trukdė tradicinių energijos šaltinių - naftos, dujų, anglies, prieinamumas, tačiau jis niekada nesustojo. Šiuo metu didžiausi geoterminės energijos įrenginiai yra „Verkhne-Mutnovskaya GeoPP“, kurio bendroji galia yra 12 MW galios vienetų, pavesta eksploatuoti 1999 m., Ir „Mutnovskaya GeoPP“, kurių galia yra 50 MW (2002 m.).

„Mutnovskaya“ ir „Verkhne-Mutnovskaya GeoPP“ yra unikalūs objektai ne tik Rusijai, bet ir pasauliniu mastu. Stotys yra Mutnovskio ugnikalnio papėdėje, 800 metrų aukštyje virš jūros lygio ir veikia ekstremaliomis klimato sąlygomis, kur žiemą būna 9–10 mėnesių per metus. „Mutnovsky GeoPP“ įranga, šiuo metu viena moderniausių pasaulyje, yra visiškai sukurta vietinėse energetikos įmonėse.

Šiuo metu Mutnovskio stočių dalis bendroje Centrinės Kamčatkos energijos centro energijos suvartojimo struktūroje yra 40%. Ateinančiais metais planuojama padidinti pajėgumus.

Atskirai reikėtų pasakyti apie Rusijos petroterminius pokyčius. Mes neturime didelių DSP, tačiau turime pažangias technologijas gręžti dideliame gylyje (apie 10 km), kurios taip pat neturi analogų pasaulyje. Tolesnis jų tobulinimas smarkiai sumažins petroterminių sistemų kūrimo sąnaudas. Šių technologijų ir projektų kūrėjai yra N. A. Gnatus, M. D. Khutorskoy (Rusijos mokslų akademijos geologijos institutas), A. S. Nekrasovas (Rusijos mokslų akademijos ekonominių prognozių institutas) ir Kalugos turbinų gamyklos specialistai. Natroterminės cirkuliacijos sistemos projektas Rusijoje yra eksperimentinis etapas.

Geoterminė energija turi perspektyvų Rusijoje, nors ir palyginti nedidelė: šiuo metu potencialas yra gana didelis, o tradicinės energijos padėtis stipri. Tuo pačiu metu daugelyje atokių šalies regionų geoterminė energija yra ekonomiškai pelninga ir paklausa. Tai teritorijos, turinčios didelį geoenergetinį potencialą (Čukotka, Kamčiatka, Kurilesas - Rusijos Ramiojo vandenyno „Žemės ugnies juosta“, Pietų Sibiro ir Kaukazo kalnai) ir tuo pačiu metu nutolusios ir atskirtos nuo centralizuoto energijos tiekimo.

Tikriausiai per ateinančius dešimtmečius geoterminė energija mūsų šalyje vystysis būtent tokiuose regionuose.

Dirvožemio temperatūra nuolat keičiasi gyliu ir laiku. Tai priklauso nuo daugelio veiksnių, iš kurių daugelį sunku atsiskaityti. Pastariesiems, pavyzdžiui, priskiriama: augmenijos pobūdis, šlaito veikimas kardinaliaisiais taškais, šešėliavimas, sniego danga, paties dirvožemio pobūdis, amžino įšalo vandenų buvimas ir kt., Tačiau dirvožemio temperatūra tiek pagal dydį, tiek pagal pasiskirstymo pobūdį yra išlaikoma kiekvienais metais. stabili, o lemiamą įtaką čia išlieka oro temperatūra.

Dirvožemio temperatūra skirtinguose gyliuoseir skirtingais metų laikais galima gauti atliekant tiesioginius matavimus šiluminiuose šuliniuose, kurie klojami tyrimo metu. Tačiau šis metodas reikalauja ilgų stebėjimų ir didelių išlaidų, o tai ne visada pateisinama. Duomenys, gauti iš vieno ar dviejų šulinių, išsidėstę dideliuose plotuose ir ilgiai, smarkiai iškraipant tikrovę, todėl apskaičiuoti dirvožemio temperatūros duomenys daugeliu atvejų tampa patikimesni.

Amžino įšalo dirvožemio temperatūrabet kuriame gylyje (iki 10 m nuo paviršiaus) ir bet kuriuo metų laikotarpiu galima nustatyti pagal formulę:

tr \u003d mt °, (3.7)

kur z yra gylis, matuojamas nuo VGM, m;

tr - dirvožemio temperatūra z gylyje, laipsniais.

τr - laikas, lygus metams (8760 h);

τ yra laikas, skaičiuojamas į priekį (iki sausio 1 d.) nuo to laiko, kai prasideda rudens dirvožemio užšalimas, iki to laiko, kuriam skaičiuojama temperatūra, valandomis;

exp x - eksponentas (eksponentinė funkcija exp paimta iš lentelių);

m - koeficientas, priklausomai nuo metų laikotarpio (laikotarpiui nuo spalio iki gegužės m \u003d 1,5–0,05z, o laikotarpiui nuo birželio iki rugsėjo m \u003d 1)

Žemiausia temperatūra nurodytame gylyje bus tada, kai (3.7) formulės kosinusas taps -1, t.y., minimali dirvožemio temperatūra metams šiame gylyje yra

tr min \u003d (1,5–0,05z) t °, (3,8)

Maksimali dirvožemio temperatūra z gylyje bus tada, kai kosinusas įgis reikšmę, lygią vienybei, t.

tr max \u003d t °, (3.9)

Pagal visas formules tūrio šiluminės galios vertė С m turėtų būti apskaičiuojama dirvožemio temperatūrai t ° pagal (3.10) formulę.

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

Dirvožemio temperatūra sezoniniame atitirpinimo sluoksnyjetaip pat gali būti nustatomas apskaičiuojant, atsižvelgiant į tai, kad šio sluoksnio temperatūros pokytis gana tiksliai apytiksliai apskaičiuojamas pagal tiesinę priklausomybę esant šiems temperatūros gradientams (3.1 lentelė).

Pagal vieną iš (3.8) - (3.9) formulių apskaičiavęs dirvožemio temperatūrą VGM lygyje, t. sudėjus formules Z \u003d 0, tada pagal 3.1 lentelę nustatome dirvožemio temperatūrą tam tikrame gylyje sezoninio tirpimo sluoksnyje. Aukščiausiuose dirvožemio sluoksniuose, esančiuose iki maždaug 1 m nuo paviršiaus, temperatūros svyravimai yra labai sudėtingi.

3.1 lentelė

Temperatūros gradientas sezoninio tirpsmo sluoksnyje, esančiame žemiau nei 1 m gylyje nuo žemės paviršiaus

Pastaba  Gradiento ženklas parodytas paviršiaus atžvilgiu.

Norėdami gauti apskaičiuotą dirvožemio temperatūrą metro sluoksnyje nuo paviršiaus, galite atlikti šiuos veiksmus. Apskaičiuokite 1 m gylyje esančią temperatūrą ir kasdienio dirvožemio paviršiaus temperatūrą, o tada, atlikdami šių dviejų verčių vertę, nustatykite temperatūrą tam tikrame gylyje.

Temperatūra dirvožemio paviršiuje t p šaltuoju metų laiku gali būti prilyginta oro temperatūrai. Vasarą:

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

kur t p - paviršiaus temperatūra laipsniais.

t in - oro temperatūra laipsniais.

Dirvožemio temperatūra su nesusijungiančiu kriolitozonu apskaičiuojamas kitaip nei sujungiant. Praktiškai galime manyti, kad temperatūra VGM lygyje visus metus bus lygi 0 ° C. Apskaičiuota amžinojo įšalo dirvožemio temperatūra tam tikrame gylyje gali būti nustatyta atliekant interpoliaciją, darant prielaidą, kad ji kinta tiesiškai nuo t ° 10 m gylyje iki 0 ° C VGM gylyje. Lydymosi sluoksnio h t temperatūra gali būti nuo 0,5 iki 1,5 ° C.

Sezoniniame užšalimo sluoksnyje h p dirvožemio temperatūra gali būti apskaičiuojama taip pat, kaip ir besitęsiančio amžinojo įšalo zonos sezoniniam atšildymo sluoksniui, t. sluoksnyje h p - 1 m pagal temperatūros gradientą (3.1 lentelė), atsižvelgiant į temperatūrą h p gylyje, lygų 0 ° C šaltuoju metų laiku ir 1 ° C vasarą. Viršutiniame metro dirvožemio sluoksnyje temperatūra nustatoma interpoliuojant temperatūrą 1 m gylyje ir paviršiaus temperatūrą.