Raspodjela temperature u tlu zimi. Cijev zakopana u zemlju vam omogućava da uštedite na grijanju i hlađenju vašeg doma. Tlo kao izvor toplotne energije niskog potencijala
"Upotreba niskokvalitetne toplotne energije zemlje u sistemima toplotnih pumpi"
Vasiliev G.P., naučni direktor OJSC INSOLAR-INVEST, doktor tehničkih nauka, predsednik odbora direktora OJSC INSOLAR-INVEST
N. V. Shilkin, inženjer, NISF (Moskva)
Racionalno korišćenje goriva i energetskih resursa danas predstavlja jedan od globalnih svjetskih problema, čije će uspješno rješavanje, po svemu sudeći, biti od presudne važnosti ne samo za dalji razvoj svjetske zajednice, već i za očuvanje njenog staništa. Jedan od obećavajućih načina za rješavanje ovog problema je primjena novih tehnologija za uštedu energije korištenje netradicionalnih obnovljivih izvora energije (NRES) Iscrpljivanje tradicionalnih rezervi fosilnih goriva i ekološke posljedice njihovog sagorijevanja doveli su do značajnog porasta interesa za ove tehnologije u gotovo svim razvijenim zemljama svijeta posljednjih decenija.
Prednosti korištenja tehnologija opskrbe toplinom, u odnosu na njihove tradicionalne analoge, povezane su ne samo sa značajnim smanjenjem troškova energije u sistemima za održavanje života zgrada i objekata, već i s njihovom ekološkom prihvatljivošću, kao i novim mogućnostima na terenu. povećanje stepena autonomije sistema za održavanje života. Očigledno će u bliskoj budućnosti ove kvalitete biti od presudne važnosti u oblikovanju konkurentske situacije na tržištu opreme za proizvodnju topline.
Analiza mogućih područja primjene u ruskoj ekonomiji korištenja tehnologija za uštedu energije netradicionalni izvori energije, pokazuje da su u Rusiji najperspektivnije područje za njihovu implementaciju sistemi za održavanje života u zgradama. Istovremeno, čini se da je široka upotreba vrlo efikasan pravac za uvođenje razmatranih tehnologija u praksu domaće gradnje. sistemi grejanja sa toplotnom pumpom (HST), koristeći tlo površinskih slojeva Zemlje kao univerzalno dostupan niskopotencijalni izvor topline.
Prilikom upotrebe Zemljina toplota Mogu se razlikovati dvije vrste toplotne energije - visokopotencijalna i niskopotencijalna. Izvor toplotne energije visokog potencijala su hidrotermalni resursi – termalne vode, zagrijane kao rezultat geoloških procesa do visoke temperature, što im omogućava da se koriste za grijanje zgrada. Međutim, korištenje toplote visokog potencijala sa Zemlje ograničeno je na područja s određenim geološkim parametrima. U Rusiji je to, na primjer, Kamčatka, regija kavkaskih mineralnih voda; U Evropi postoje izvori toplote visokog potencijala u Mađarskoj, Islandu i Francuskoj.
Za razliku od "direktne" upotrebe toplote visokog kvaliteta (hidrotermalni resursi), korišćenje niskogradne toplote sa Zemlje upotreba toplotnih pumpi je moguća skoro svuda. Trenutno je ovo jedno od područja upotrebe koji se najdinamičnije razvija. netradicionalni obnovljivi izvori energije.
Niskogradna toplota Zemlje može se koristiti u različitim tipovima zgrada i objekata na više načina: za grijanje, opskrbu toplom vodom, klimatizaciju (hlađenje), grijanje staza zimi, za sprječavanje zaleđivanja, grijna polja na otvorenim stadionima, itd. U tehničkoj literaturi na engleskom jeziku, sistemi označeni kao "GHP" - "geotermalne toplotne pumpe", geotermalne toplotne pumpe.
Klimatske karakteristike zemalja srednje i sjeverne Evrope, koje su, zajedno sa SAD i Kanadom, glavna područja za korištenje niskogradne toplote sa Zemlje, uglavnom određuju potrebu za grijanjem; hlađenje zraka čak i u ljetni period Potreban relativno rijetko. Stoga, za razliku od SAD, toplotne pumpe u evropskim zemljama rade uglavnom u režimu grijanja. U SAD toplotne pumpeČešće se koriste u sistemima zračnog grijanja u kombinaciji sa ventilacijom, koja omogućava i grijanje i hlađenje vanjskog zraka. IN evropske zemlje toplotne pumpe obično se koristi u sistemima za grijanje vode. Pošto efikasnost toplotne pumpe povećava se kako se temperaturna razlika između isparivača i kondenzatora smanjuje. Sistemi podnog grijanja se često koriste za grijanje zgrada, u kojima rashladna tekućina cirkulira na relativno niskoj temperaturi (35-40 °C).
Većina toplotne pumpe u Evropi, dizajnirani da koriste toplotu niskog kvaliteta sa Zemlje, opremljeni su kompresorima na električni pogon.
U proteklih deset godina povećan je broj sistema koji koriste grijanje i hlađenje zgrada toplota niskog stepena Zemlja kroz toplotne pumpe, značajno se povećao. Najveći broj ovakvih sistema se koristi u SAD. Veliki broj ovakvih sistema funkcioniše u Kanadi i zemljama centralne i severne Evrope: Austriji, Nemačkoj, Švedskoj i Švajcarskoj. Švicarska prednjači po korišćenju niske toplotne energije Zemlje po glavi stanovnika. U Rusiji je u proteklih deset godina samo nekoliko objekata izgrađeno tehnologijom i uz učešće INSOLAR-INVEST OJSC, specijalizovanog za ovu oblast, od kojih su najzanimljiviji predstavljeni u.
U Moskvi, u mikrookrugu Nikulino-2, zapravo je prvi put izgrađen sistem toplotne pumpe za snabdevanje toplom vodom višespratna stambena zgrada. Ovaj projekat je 1998–2002 realizovalo Ministarstvo odbrane Ruske Federacije zajedno sa Vladom Moskve, Ministarstvom industrije i nauke Rusije, Udruženjem NP „ABOK“ iu okviru "Dugoročni program uštede energije u Moskvi".
Toplota tla u površinskim slojevima Zemlje, kao i toplota uklonjenog ventilacionog vazduha, koristi se kao niskopotencijalni izvor toplotne energije za isparivače toplotnih pumpi. Instalacija za pripremu tople vode nalazi se u suterenu zgrade. Uključuje sljedeće glavne elemente:
- parne kompresijske toplinske pumpe (HPU);
- Spremnici tople vode;
- sistemi za prikupljanje niskokvalitetne toplotne energije tla i niske toplote uklonjenog ventilacionog vazduha;
- cirkulacijske pumpe, kontrolna i mjerna oprema
Glavni element za izmjenu topline niskokvalitetnog sistema za prikupljanje topline tla su vertikalni koaksijalni izmjenjivači topline tla koji se nalaze izvana duž perimetra zgrade. Ovi izmjenjivači topline se sastoje od 8 bunara, svaki od 32 do 35 m dubine, koji se nalaze u blizini kuće. Budući da način rada toplotnih pumpi koristi toplina zemlje a toplota uklonjenog vazduha je konstantna, a potrošnja tople vode promenljiva, sistem za snabdevanje toplom vodom je opremljen rezervoarima za skladištenje.
Podaci o procjeni globalnog nivoa korištenja niskopotencijalne toplinske energije Zemlje putem toplotnih pumpi dati su u tabeli.
Tabela 1. Svjetski nivo korištenja niskopotencijalne toplinske energije Zemlje putem toplotnih pumpi
Tlo kao izvor toplotne energije niskog potencijala
Podzemne vode sa relativno niskom temperaturom ili tla iz površinskih (do 400 m dubine) slojeva Zemlje mogu se koristiti kao izvor toplotne energije niskog potencijala. Toplotni sadržaj zemljišne mase je generalno veći. Toplotni režim tla u površinskim slojevima Zemlje nastaje pod uticajem dva glavna faktora - sunčevog zračenja koje pada na površinu i toka radiogene toplote iz unutrašnjosti Zemlje.. Sezonske i dnevne promjene intenziteta sunčevog zračenja i temperature vanjskog zraka uzrokuju oscilacije u temperaturi gornjih slojeva tla. Dubina prodiranja dnevnih kolebanja temperature vanjskog zraka i intenziteta upadnog sunčevog zračenja, ovisno o specifičnim zemljišnim i klimatskim uvjetima, kreće se od nekoliko desetina centimetara do jednog i po metra. Dubina prodora sezonskih kolebanja temperature vanjskog zraka i intenziteta upadnog sunčevog zračenja u pravilu ne prelazi 15-20 m.
Temperaturni režim slojeva tla koji se nalaze ispod ove dubine („neutralna zona“) formira se pod utjecajem toplinske energije koja dolazi iz utrobe Zemlje i praktički je neovisan o sezonskim, a još više dnevnim promjenama vanjskih parametara. klime (slika 1).
Rice. 1. Grafikon promjena temperature tla u zavisnosti od dubine
Kako se dubina povećava, temperatura tla raste u skladu sa geotermalnim gradijentom (otprilike 3 stepena C na svakih 100 m). Veličina toka radiogene toplote koja dolazi iz unutrašnjosti Zemlje varira za različita područja. Za Centralna Evropa ova vrijednost je 0,05–0,12 W/m2.
U toku eksploatacionog perioda, masa zemljišta koja se nalazi u zoni toplotnog uticaja registra cevi prizemnog izmenjivača toplote niskokvalitetnog sistema sakupljanja toplote zemljišta (sistema za prikupljanje toplote), usled sezonska promjena vanjskih klimatskih parametara, kao i pod utjecajem pogonskih opterećenja na sustav prikupljanja topline, u pravilu je podložan višekratnom smrzavanju i odmrzavanju. U ovom slučaju, prirodno, dolazi do promjene agregatnog stanja vlage sadržane u porama tla i, općenito, u tečnoj, čvrstoj i plinovitoj fazi istovremeno. Drugim riječima, masa tla sistema za prikupljanje topline, bez obzira u kojem se stanju nalazi (smrznuta ili odmrznuta), je složen trofazni polidisperzni heterogeni sistem, čiji kostur čini ogromna količina čvrstih čestica. raznih oblika i veličine i mogu biti ili kruti ili pokretni, ovisno o tome da li su čestice čvrsto povezane jedna s drugom ili su međusobno odvojene supstancom u mobilnoj fazi. Prostori između čvrstih čestica mogu biti ispunjeni mineralizovanom vlagom, gasom, parom i ledom, ili oboje. Modeliranje procesa prenosa toplote i mase koji formiraju toplotni režim ovakvog višekomponentnog sistema izuzetno je složen zadatak, jer zahteva uzimanje u obzir i matematički opis različitih mehanizama njihove implementacije: toplotne provodljivosti u pojedinačnoj čestici, prenosa toplote od jedna čestica na drugu pri njihovom kontaktu, molekularna toplotna provodljivost u medijumu koji ispunjava praznine između čestica, konvekcija pare i vlage sadržane u prostoru pora i mnoge druge.
Posebnu pažnju treba obratiti na uticaj vlage u tlu i migracije vlage u njegovom pornom prostoru na termičke procese koji određuju karakteristike tla kao izvora niskopotencijalne toplotne energije.
U kapilarno-poroznim sistemima, kao što je masa tla u sistemu za prikupljanje toplote, prisustvo vlage u pornom prostoru ima primetan uticaj na proces širenja toplote. Ispravno uzimanje u obzir ovog uticaja danas je povezano sa značajnim poteškoćama, koje su prvenstveno povezane sa nedostatkom jasnih ideja o prirodi distribucije čvrste, tečne i gasovite faze vlage u određenoj strukturi sistema. Priroda veznih sila između vlage i skeletnih čestica i ovisnost oblika vezivanja između vlage i materijala o razne faze ovlaživanje, mehanizam kretanja vlage u pornom prostoru.
Ako postoji temperaturni gradijent u debljini zemljišne mase, molekuli pare se pomiču na mjesta s niskim temperaturnim potencijalom, ali se istovremeno pod utjecajem gravitacijskih sila javlja suprotno usmjeren tok vlage u tekućoj fazi. Osim toga, vlaga utječe na temperaturni režim gornjih slojeva tla. atmosferske padavine, kao i podzemne vode.
Glavni faktori pod čijim se uticajem formiraju temperaturni režim Sistemi masiva tla za prikupljanje niskopotencijalne toplote tla prikazani su na Sl. 2.
Rice. 2. Faktori pod čijim se uticajem formira temperaturni režim tla
Vrste sistema za korišćenje niskopotencijalne toplotne energije Zemlje
Spajaju se izmjenjivači topline zemlje oprema toplotne pumpe sa masivom tla. Osim "izvlačenja" topline Zemlje, zemaljski izmjenjivači topline mogu se koristiti i za akumulaciju topline (ili hladnoće) u masi tla.
Generalno, mogu se razlikovati dvije vrste sistema za korištenje niskopotencijalne toplinske energije Zemlje::
- otvoreni sistemi: podzemna voda koja se dovodi direktno u toplotne pumpe koristi se kao izvor toplotne energije niskog kvaliteta;
- zatvoreni sistemi: izmjenjivači topline su smješteni u masi tla; kada rashladna tečnost sa nižom temperaturom u odnosu na tlo cirkuliše kroz njih, toplotna energija se "odabira" iz tla i prenosi na isparivač toplotna pumpa(ili, kada se koristi rashladno sredstvo sa višom temperaturom u odnosu na tlo, njegovo hlađenje).
Glavni dio otvorenih sistema su bunari koji vam omogućavaju da izvučete podzemnu vodu iz vodonosnika i vratite vodu natrag u iste vodonosnike. U tu svrhu se obično ugrađuju upareni bunari. Dijagram takvog sistema je prikazan na sl. 3.
Rice. 3. Šema otvorenog sistema za korišćenje niskopotencijalne toplotne energije podzemnih voda
Prednost otvorenih sistema je mogućnost dobijanja velikih količina toplotne energije uz relativno niske troškove. Međutim, bunari zahtijevaju održavanje. Osim toga, upotreba ovakvih sistema nije moguća u svim oblastima. Glavni zahtjevi za tlo i podzemne vode su sljedeći:
- dovoljna propusnost tla, što omogućava obnavljanje zaliha vode;
- dobro hemijski sastav podzemne vode (npr. nizak sadržaj željeza), izbjegavajući probleme povezane s kamencem i korozijom cijevi.
Otvoreni sistemi se češće koriste za grijanje ili hlađenje velikih zgrada. Najveći sistem geotermalne toplotne pumpe na svetu koristi podzemne vode kao izvor toplotne energije niskog kvaliteta. Ovaj sistem se nalazi u SAD-u u Louisvilleu, Kentucky. Sistem se koristi za toplotno i hladno snabdevanje hotelsko-kancelarijskog kompleksa; njegova snaga je oko 10 MW.
Ponekad sistemi koji koriste toplinu Zemlje uključuju i sisteme koji koriste toplotu niskog stepena iz otvorenih vodenih tijela, prirodnih i umjetnih. Ovaj pristup je posebno usvojen u SAD. Sistemi koji koriste toplotu niskog stepena iz rezervoara klasifikovani su kao otvoreni, kao i sistemi koji koriste toplotu niskog stepena iz podzemnih voda.
Zatvoreni sistemi se, pak, dijele na horizontalne i vertikalne.
Horizontalni izmjenjivač topline tla(u literaturi na engleskom jeziku koriste se i termini "zemlja toplinski kolektor" i "horizontalna petlja") postavlja se, u pravilu, pored kuće na maloj dubini (ali ispod nivoa smrzavanja tla zimi) . Upotreba horizontalnih izmjenjivača topline za tlo ograničena je veličinom raspoložive lokacije.
U zemljama zapadne i srednje Evrope horizontalni izmjenjivači topline tla su obično pojedinačne cijevi, položene relativno čvrsto i međusobno povezane u seriju ili paralelno (sl. 4a, 4b). Da bi se uštedjelo područje, razvijeni su poboljšani tipovi izmjenjivača topline, na primjer, izmjenjivači topline u obliku spirale smještene vodoravno ili okomito (sl. 4e, 4f). Ovaj oblik izmjenjivača topline je uobičajen u SAD-u.
Rice. 4. Vrste horizontalnih zemljanih izmjenjivača topline
a – izmjenjivač topline od serijski spojenih cijevi;
b – izmjenjivač topline od paralelno spojenih cijevi;
c – horizontalni kolektor položen u rov;
d – izmjenjivač topline u obliku petlje;
d – izmjenjivač topline u obliku spirale smještene vodoravno (tzv. "slinky" kolektor;
e – izmjenjivač topline u obliku spirale smješten okomito
Ako se sistem sa horizontalnim izmenjivačem toplote koristi samo za proizvodnju toplote, njegov normalan rad je moguć samo ako postoji dovoljan unos toplote sa površine zemlje usled sunčevog zračenja. Iz tog razloga, površina iznad izmjenjivača topline mora biti izložena sunčevoj svjetlosti.
Vertikalni izmjenjivači topline za tlo(u literaturi na engleskom jeziku prihvaćena je oznaka “BHE” - “izmjenjivač topline bušotine”) omogućavaju korištenje niskopotencijalne toplinske energije mase tla koja leži ispod “neutralne zone” (10-20 m od nivoa tla). Sistemi sa vertikalnim razmenjivačima toplote u zemlji ne zahtevaju velike površine i ne zavise od intenziteta sunčevog zračenja koje pada na površinu. Vertikalni izmjenjivači topline za tlo efikasno rade u gotovo svim vrstama geološke sredine, sa izuzetkom tla niske toplotne provodljivosti, kao što je suvi pesak ili suvi šljunak. Sistemi sa vertikalnim izmjenjivačima topline za tlo postali su vrlo rašireni.
Dijagram opskrbe grijanjem i toplom vodom za jednostambenu stambenu zgradu sa instalacijom toplinske pumpe s vertikalnim izmjenjivačem topline zemlje prikazan je na Sl. 5.
Rice. 5. Šema grijanja i opskrbe toplom vodom jednostambene stambene zgrade pomoću instalacije toplotne pumpe sa vertikalnim izmjenjivačem topline zemlje
Rashladna tečnost cirkuliše kroz cijevi (najčešće polietilenske ili polipropilenske) položene u vertikalnim bunarima dubine od 50 do 200 m Obično se koriste dvije vrste vertikalnih izmjenjivača topline za tlo (slika 6):
- Izmjenjivač topline u obliku slova U, koji se sastoji od dvije paralelne cijevi spojene na dnu. Jedan ili dva (rjeđe tri) para takvih cijevi nalaze se u jednoj bušotini. Prednost ove sheme je relativno niska cijena proizvodnje. Dvostruki U izmjenjivači topline su najrasprostranjeniji tip vertikalnih tlačnih izmjenjivača topline u Evropi.
- Koaksijalni (koncentrični) izmjenjivač topline. Najjednostavniji koaksijalni izmjenjivač topline sastoji se od dvije cijevi različitih promjera. Cijev manjeg promjera nalazi se unutar druge cijevi. Koaksijalni izmjenjivači topline mogu imati složenije konfiguracije.
Rice. 6. Sekcija razne vrste vertikalni izmjenjivači topline tla
Da bi se povećala efikasnost izmjenjivača topline, prostor između zidova bunara i cijevi ispunjen je posebnim materijalima koji provode toplinu.
Sistemi sa vertikalnim izmjenjivačima topline za tlo mogu se koristiti za grijanje i hlađenje zgrada različitih veličina. Za malu zgradu dovoljan je jedan izmjenjivač topline; za velike zgrade, možda će biti potrebno instalirati čitavu grupu bunara s vertikalnim izmjenjivačima topline. Najveći svetski broj bunara koristi se u sistemu snabdevanja grejanjem i hlađenjem Richard Stockton College u SAD u državi New Jersey. Vertikalni izmjenjivači topline ovog koledža nalaze se u 400 bunara dubine 130 m najveći broj bunari (154 bunara sa dubinom od 70 m) se koriste u sistemu snabdevanja grejanjem i hlađenjem centralne kancelarije Nemačke kontrole letenja („Deutsche Flug-sicherung“).
Poseban slučaj vertikalnih zatvorenih sistema je upotreba građevinskih konstrukcija, na primjer temeljnih šipova sa ugrađenim cjevovodima, kao izmjenjivača topline u zemlji. Poprečni presjek takvog gomila sa tri kruga izmjenjivača topline zemlje prikazan je na Sl. 7.
Rice. 7. Dijagram zemljanih izmjenjivača topline ugrađenih u temeljne šipove zgrade i poprečni presjek takvog šipa
Masa tla (u slučaju vertikalnih zemljanih izmjenjivača topline) i građevinske konstrukcije sa izmjenjivačima topline tla mogu se koristiti ne samo kao izvor, već i kao prirodni akumulator toplinske energije ili „hladnoće“, na primjer, sunčeve topline. radijacije.
Postoje sistemi koji se ne mogu jasno klasifikovati kao otvoreni ili zatvoreni. Na primjer, ista duboka (dubina od 100 do 450 m) bušotina napunjena vodom može biti i proizvodna i injekciona. Prečnik bunara je obično 15 cm U donjem delu bunara se postavlja pumpa preko koje se voda iz bunara dovodi do isparivača toplotne pumpe. Povratna voda se vraća na vrh vodenog stuba u isti bunar. Bunar se stalno puni podzemnim vodama, a otvoreni sistem radi kao zatvoreni. Sistemi ovog tipa u engleskoj literaturi se nazivaju „sistem stajaćih stubnih bunara“ (Sl. 8).
Rice. 8. Šema bunara tipa “stojeći stubni bunar”.
Tipično, bunari ovog tipa se također koriste za snabdijevanje zgrada pitkom vodom.. Međutim, takav sistem može djelotvorno funkcionirati samo u zemljištima koja osiguravaju stalan dotok vode u bunar, što sprječava njegovo smrzavanje. Ako vodonosnik leži preduboko, bit će potrebna snažna pumpa za normalno funkcioniranje sistema, što zahtijeva povećanu potrošnju energije. Velika dubina bunara uzrokuje prilično visoku cijenu takvih sistema, tako da se ne koriste za opskrbu toplinom i hladnoćom malih zgrada. Trenutno u svijetu postoji nekoliko takvih sistema u SAD-u, Njemačkoj i Evropi.
Jedan od perspektivnih pravaca je korištenje vode iz rudnika i tunela kao izvora toplotne energije niskog potencijala. Temperatura ove vode je konstantna tokom cijele godine. Voda iz rudnika i tunela je lako dostupna.
„Održivost“ sistema za korišćenje niskogradne toplote sa Zemlje
Prilikom rada zemaljskog izmjenjivača topline može nastati situacija kada se tokom sezone grijanja temperatura tla u blizini tlačnog izmjenjivača topline smanjuje, a ljeti tlo nema vremena da se zagrije do početne temperature - njegov temperaturni potencijal se smanjuje . Potrošnja energije tokom sljedeće sezone grijanja uzrokuje još veći pad temperature tla, a njen temperaturni potencijal se dodatno smanjuje. Ovo se nameće prilikom projektovanja sistema korišćenje niske toplote Zemlje razmotriti problem “održivosti” takvih sistema. Energetski resursi se često vrlo intenzivno koriste za smanjenje perioda povrata opreme, što može dovesti do njihovog brzog iscrpljivanja. Stoga je potrebno održavati nivo proizvodnje energije koji bi omogućio dugotrajnu eksploataciju izvora energije. Ova sposobnost sistema da održe potreban nivo proizvodnje toplotne energije tokom dužeg vremenskog perioda naziva se „održivost“. Za sisteme sa niskim potencijalom Zemljina toplota data je sljedeća definicija održivosti: „Za svaki sistem korišćenja niskogradne toplote Zemlje i za svaki način rada ovog sistema postoji određeni maksimalni nivo proizvodnje energije; Proizvodnja energije ispod ovog nivoa može se održavati dugo vremena (100-300 godina).“
Provedeno u dd "INSOLAR-INVEST" istraživanja su pokazala da potrošnja toplotne energije iz zemljišne mase na kraju grejne sezone izaziva smanjenje temperature tla u blizini registra cevi sistema za prikupljanje toplote, što u zemljišno-klimatskim uslovima većine teritorija Rusije nema vremena da se nadoknadi u ljetnom periodu godine, a do početka naredne sezone grijanja tlo odlazi sa smanjenim temperaturnim potencijalom. Potrošnja toplotne energije u narednoj grejnoj sezoni izaziva dalje smanjenje temperature zemljišta, a do početka treće grejne sezone njen temperaturni potencijal se još više razlikuje od prirodnog. I tako dalje. Međutim, omotači toplotnog uticaja dugotrajnog rada sistema za prikupljanje toplote na prirodni temperaturni režim zemljišta imaju izražen eksponencijalni karakter, a do pete godine rada zemljište dostiže novi režim, blizak periodičnom, odnosno, počevši od pete godine rada, dugotrajna potrošnja toplotne energije iz sistema za prikupljanje toplote zemljišne mase praćena je periodičnim promenama njene temperature. Dakle, prilikom projektovanja sistemi grijanja sa toplotnom pumpomČini se da je potrebno uzeti u obzir pad temperatura zemljišne mase uzrokovan višegodišnjim radom sistema za prikupljanje topline, a kao projektne parametre koristiti temperature zemljišne mase koje se očekuju za 5. godinu rada TST-a.
U kombinovanim sistemima, koji se koristi i za opskrbu toplinom i za hladnoću, bilans topline se postavlja „automatski“: zimi (potrebno je snabdijevanje toplinom), masa tla se hladi, u ljetno vrijeme(potrebno hlađenje) – zagrijavanje zemljišne mase. U sistemima koji koriste nisku toplotu podzemne vode, dolazi do stalnog popunjavanja rezervi vode zbog vode koja curi sa površine i vode koja dolazi iz dubljih slojeva tla. Dakle, sadržaj topline podzemne vode raste i „od gore“ (zbog topline atmosferski vazduh), i “odozdo” (zbog topline Zemlje); Količina unesene toplote „odozgo” i „odozdo” zavisi od debljine i dubine vodonosnog sloja. Zbog ovih unosa topline, temperatura podzemne vode ostaje konstantna tijekom cijele sezone i malo se mijenja tokom rada.
U sistemima sa vertikalnim izmjenjivačima topline za tlo situacija je drugačija. Kada se toplina ukloni, temperatura tla oko izmjenjivača topline tla opada. Na smanjenje temperature utječu i karakteristike dizajna izmjenjivača topline i njegov način rada. Na primjer, u sistemima sa visokim vrijednostima disipacije toplinske energije (nekoliko desetina vati po metru dužine izmjenjivača topline) ili u sistemima sa podzemnim izmjenjivačem topline smještenim u tlu niske toplinske provodljivosti (na primjer, u suhom pijesku ili suvom šljunka), pad temperature će biti posebno uočljiv i može dovesti do smrzavanja zemljišne mase oko izmjenjivača topline zemlje.
Njemački stručnjaci izmjerili su temperaturu zemljišne mase u kojoj je ugrađen vertikalni izmjenjivač topline dubine 50 m, koji se nalazi u blizini Frankfurta na Majni. Za to je izbušeno 9 bušotina iste dubine oko glavne bušotine na udaljenosti od 2,5, 5 i 10 m. U svih deset bunara ugrađeni su senzori na svaka 2 m za mjerenje temperature – ukupno 240 senzora. Na sl. Na slici 9 prikazani su dijagrami koji prikazuju distribuciju temperatura u masi tla oko vertikalnog izmjenjivača topline tla na početku i na kraju prve grijne sezone. Na kraju sezone grijanja jasno je uočljivo smanjenje temperature mase tla oko izmjenjivača topline. Nastaje tok topline usmjeren na izmjenjivač topline iz okolne zemljišne mase, koji djelomično nadoknađuje smanjenje temperature tla uzrokovano „uklanjanjem“ topline. Veličina ovog protoka, u poređenju sa veličinom toplotnog toka iz utrobe zemlje na datom području (80-100 mW/m2), procjenjuje se na prilično visoku (nekoliko vati po kvadratnom metru).
Rice. 9. Šeme raspodjele temperature u zemljišnoj masi oko vertikalnog izmjenjivača topline na tlu na početku i na kraju prve grijne sezone
S obzirom da su vertikalni izmjenjivači topline počeli biti relativno rasprostranjeni prije otprilike 15-20 godina, u cijelom svijetu nedostaju eksperimentalni podaci dobijeni tokom dugog (nekoliko decenija) rada sistema sa izmjenjivačima topline ovog tipa. Postavlja se pitanje stabilnosti ovih sistema, njihove pouzdanosti u dugim periodima rada. Da li je niskokvalitetna toplota Zemlje obnovljiv izvor energije? Koji je period „obnove“ ovog izvora?
Prilikom rada seoske škole u Yaroslavl region, opremljen sistem toplotne pumpe, uz pomoć vertikalnog tlačnog izmjenjivača topline, prosječne vrijednosti specifičnog odvođenja topline bile su na nivou od 120–190 W/linearno. m dužine izmjenjivača topline.
Od 1986. godine provode se istraživanja na sistemu sa vertikalnim izmenjivačima toplote u zemlji u Švajcarskoj kod Ciriha. U tlo je ugrađen vertikalni koaksijalni izmjenjivač topline sa dubinom od 105 m. Ovaj izmjenjivač topline je korišten kao izvor toplotne energije niske kvalitete za sistem toplinske pumpe ugrađen u jednostambenu stambenu zgradu. Vertikalni izmjenjivač topline tla je davao vršnu snagu od približno 70 W po metru dužine, stvarajući značajno toplinsko opterećenje na okolnoj zemljinoj masi. Godišnja proizvodnja toplotne energije je oko 13 MWh
Na udaljenosti od 0,5 i 1 m od glavne bušotine izbušene su dvije dodatne bušotine u koje su ugrađeni temperaturni senzori na dubini od 1, 2, 5, 10, 20, 35, 50, 65, 85 i 105 m, nakon čega su bunari ispunjeni glineno-cementnom smjesom. Temperature su mjerene svakih trideset minuta. Osim temperature tla, zabilježeni su i drugi parametri: brzina kretanja rashladne tekućine, potrošnja energije pogonom kompresora toplinske pumpe, temperatura zraka itd.
Prvi period posmatranja trajao je od 1986. do 1991. godine. Mjerenja su pokazala da se utjecaj topline vanjskog zraka i sunčevog zračenja uočava u površinskom sloju tla na dubini do 15 m. Ispod ovog nivoa, toplinski režim tla se formira uglavnom zbog topline unutrašnjosti zemlje. Tokom prve 2-3 godine rada temperatura tla oko vertikalnog izmjenjivača topline je naglo opao, ali svake godine pad temperature opada, a nakon nekoliko godina sistem je dostigao režim blizu konstantnog, kada je temperatura mase tla oko izmjenjivača topline postala 1-2 °C niža od originalni.
U jesen 1996., deset godina nakon što je sistem počeo sa radom, mjerenja su nastavljena. Ova mjerenja su pokazala da se temperatura tla nije značajno promijenila. U narednim godinama zabilježene su neznatne fluktuacije temperature tla unutar 0,5 stepeni C u zavisnosti od godišnjeg opterećenja grijanja. Tako je sistem dostigao kvazistacionarni režim nakon prvih nekoliko godina rada.
Na osnovu eksperimentalnih podataka konstruisani su matematički modeli procesa koji se odvijaju u zemljišnoj masi, što je omogućilo dugoročnu prognozu promena temperature zemljišne mase.
Matematičko modeliranje pokazalo je da će se godišnji pad temperature postepeno smanjivati, a volumen mase tla oko izmjenjivača topline, podložan sniženju temperature, svake godine će se povećavati. Na kraju radnog perioda počinje proces regeneracije: temperatura tla počinje rasti. Priroda procesa regeneracije slična je prirodi procesa "odabira" topline: u prvim godinama rada dolazi do naglog povećanja temperature tla, au narednim godinama stopa porasta temperature opada. Trajanje perioda „regeneracije“ zavisi od trajanja perioda rada. Ova dva perioda su približno ista. U predmetnom slučaju, period rada izmjenjivača topline zemlje bio je trideset godina, a period „regeneracije“ je također procijenjen na trideset godina.
Dakle, sistemi grijanja i hlađenja zgrada koje koriste nisku toplotu sa Zemlje predstavljaju pouzdan izvor energije koji se može koristiti svuda. Ovaj izvor se može koristiti dosta dugo, a može se obnoviti na kraju radnog perioda.
Književnost
1. Rybach L. Status i izgledi geotermalnih toplotnih pumpi (GHP) u Evropi i svetu; aspekti održivosti GHP. Međunarodni kurs geotermalnih toplotnih pumpi, 2002
2. Vasiljev G.P., Krundišev N.S. Energetski efikasna seoska škola u regionu Jaroslavlja. ABOK br. 5, 2002
3. Sanner B. Izvori toplote tla za toplotne pumpe (klasifikacija, karakteristike, prednosti). 2002
4. Rybach L. Status i izgledi geotermalnih toplotnih pumpi (GHP) u Evropi i svetu; aspekti održivosti GHP. Međunarodni kurs geotermalnih toplotnih pumpi, 2002
5. ORKUSTOFNUN Radna grupa, Island (2001): Održiva proizvodnja geotermalne energije – predložena definicija. IGA News br. 43, januar-mart 2001, 1-2
6. Rybach L., Sanner B. Sistemi toplotnih pumpi iz zemlje – evropski iskustvo. GeoHeat- Center Bull. 21/1, 2000
7. Ušteda energije sa toplotnim pumpama za stanovanje u hladnim klimama. Maxi brošura 08. KADET, 1997
8. Atkinson Schaefer L. Analiza toplinske pumpe apsorpcije sa jednim pritiskom. Predstavljena disertacija Akademskom fakultetu. Tehnološki institut Džordžije, 2000
9. Morley T. Obrnuti toplotni motor kao sredstvo za grijanje zgrada, The Engineer 133: 1922.
10. Fearon J. Istorijat i razvoj toplotne pumpe, hlađenja i klimatizacije. 1978
11. Vasiliev G.P. Energetski efikasne zgrade sa sistemima grijanja na toplotnu pumpu. Stambeno-komunalni časopis, br. 12, 2002
12. Smjernice za korištenje toplotnih pumpi koje koriste sekundarne izvore energije i netradicionalne obnovljive izvore energije. Moskomarhitektura. Državno jedinstveno preduzeće "NIAC", 2001
13. Energetski efikasna stambena zgrada u Moskvi. ABOK br. 4, 1999
14. Vasiliev G.P. Energetski efikasna eksperimentalna stambena zgrada u mikrookrug Nikulino-2. ABOK br. 4, 2002
Vertikalni kolektori izvlače energiju iz zemlje koristeći geotermalne zemaljske sonde. To su zatvoreni sistemi sa bunarima prečnika 145-150mm i dubinom od 50 do 150m kroz koje se polažu cevi. Povratno U koljeno je ugrađeno na kraju cjevovoda. Uobičajeno, instalacija se izvodi pomoću sonde sa jednim krugom sa 2x d40 cijevi („švedski sistem”), ili sonde s dva kruga sa 4x d32 cijevi. Dvostruke sonde bi trebale postići 10-15% veću ekstrakciju topline. Za bunare dublje od 150 m moraju se koristiti cijevi 4xd40 (za smanjenje gubitka tlaka).
Trenutno većina bunari za izvlačenje toplote iz zemlje imaju dubinu od 150 m. Na većim dubinama može se dobiti više toplote, ali će troškovi takvih bunara biti veoma visoki. Stoga je važno unaprijed izračunati troškove ugradnje vertikalnog kolektora u odnosu na očekivane uštede u budućnosti. U slučaju ugradnje aktivno-pasivnog sistema hlađenja, dublji bunari se ne rade zbog više temperature u tlu i nižeg potencijala u trenutku oslobađanja toplote iz rastvora. okruženje. Smjesa antifriza (alkohol, glicerin, glikol) cirkulira u sistemu, razrijeđena vodom do željene konzistencije antifriza. U toplotnoj pumpi prenosi toplotu uzetu sa tla na rashladno sredstvo. Temperatura zemlje na dubini od 20 m iznosi približno 10°C i raste za 1°C svakih 30m. Ona nije pod uticajem klimatskim uslovima, te stoga možete računati na kvalitetan izbor energije i zimi i ljeti. Treba dodati da se temperatura u tlu neznatno razlikuje na početku sezone (septembar-oktobar) od temperature na kraju sezone (mart-april). Stoga je pri proračunu dubine vertikalnih kolektora potrebno uzeti u obzir dužinu sezone grijanja na mjestu ugradnje.
Prilikom prikupljanja toplote geotermalnim vertikalnim sondama veoma su važni pravilni proračuni i dizajn kolektora. Da biste izvršili kompetentne proračune, morate znati da li je bušenje na mjestu ugradnje moguće do željene dubine.
Za toplotnu pumpu snage 10kW potrebno je otprilike 120-180 m bunara. Bunari moraju biti postavljeni na udaljenosti od najmanje 8m. Broj i dubina bunara zavisi od geoloških uslova, raspoloživosti podzemne vode, sposobnost tla da zadrži toplinu i tehnologiju bušenja. Kada se buši više bunara, ukupna željena dužina bušotine će se podijeliti s brojem bušotina.
Prednost vertikalnog kolektora u odnosu na horizontalni je manja površina za korištenje, stabilniji izvor topline i neovisnost izvora topline od vremenskim uslovima. Nedostatak vertikalnih kolektora je visoka cijena radova na iskopu i postepeno hlađenje zemlje u blizini kolektora (potrebni su pravilni proračuni potrebne snage prilikom projektovanja).
Proračun potrebne dubine bunara
Podaci potrebni za preliminarni proračun dubine i broja bunara:
Snaga toplotne pumpe
Odabrani tip grijanja - "topli podovi", radijatori, kombinirani
Procijenjeni broj radnih sati toplotne pumpe godišnje, koji pokriva energetske potrebe
Lokacija ugradnje
Upotreba geotermalna bušotina- grijanje, grijanje tople vode, sezonsko grijanje bazena, grijanje bazena tijekom cijele godine
Korištenje pasivne (aktivne) funkcije hlađenja u objektu
Ukupna godišnja potrošnja toplote za grijanje (MW/h)
Temperatura unutar Zemlje. Određivanje temperature u Zemljinim školjkama zasniva se na različitim, često indirektnim podacima. Najpouzdaniji podaci o temperaturi su na samom vrhu zemljine kore, probijen minama i bušotinama do maksimalnih dubina od 12 km (kolski bunar).
Povećanje temperature u stepenima Celzijusa po jedinici dubine naziva se geotermalni gradijent, i dubina u metrima, tokom koje se temperatura povećava za 1 0 C - geotermalna faza. Geotermalni gradijent i, shodno tome, geotermalni korak variraju od mesta do mesta u zavisnosti od geoloških uslova, endogene aktivnosti u različitim oblastima, kao i neujednačene toplotne provodljivosti stijene. Štaviše, prema B. Gutenbergu, granice fluktuacija se razlikuju više od 25 puta. Primjer za to su dva oštro različita nagiba: 1) 150 o na 1 km u Oregonu (SAD), 2) 6 o na 1 km registrovan u Južna Afrika. Prema ovim geotermalnim gradijentima, geotermalni korak se također mijenja od 6,67 m u prvom slučaju na 167 m u drugom. Najčešća kolebanja gradijenta su u rasponu od 20-50 o, a geotermalni korak je 15-45 m. Prosječni geotermalni gradijent je odavno prihvaćen na 30 o C po 1 km.
Prema V.N. Žarkovu, geotermalni gradijent u blizini površine Zemlje procjenjuje se na 20 o C na 1 km. Na osnovu ove dvije vrijednosti geotermalnog gradijenta i njegove postojanosti duboko u Zemlji, tada je na dubini od 100 km trebala biti temperatura od 3000 ili 2000 o C. Međutim, to je u suprotnosti sa stvarnim podacima. Upravo na tim dubinama povremeno nastaju komore magme iz kojih lava teče na površinu, maksimalna temperatura 1200-1250 o. Uzimajući u obzir ovaj osebujni "termometar", brojni autori (V.A. Lyubimov, V.A. Magnitsky) smatraju da na dubini od 100 km temperatura ne može prijeći 1300-1500 o C.
Sa više visoke temperature stijene plašta bi bile potpuno otopljene, što je u suprotnosti sa slobodnim prolazom posmičnih seizmičkih valova. Dakle, prosječni geotermalni gradijent može se pratiti samo do određene relativno male dubine od površine (20-30 km), a zatim bi se trebao smanjiti. Ali čak iu ovom slučaju, na istom mjestu, promjena temperature sa dubinom je neujednačena. To se može vidjeti na primjeru promjene temperature sa dubinom duž bunara Kola, koji se nalazi unutar stabilnog kristalnog štita platforme. Prilikom polaganja ove bušotine očekivali su geotermalni gradijent od 10 o na 1 km i stoga su na projektnoj dubini (15 km) očekivali temperaturu reda veličine 150 o C. Međutim, takav gradijent je bio samo do dubine od 3 km, a zatim se počeo povećavati za 1,5 -2,0 puta. Na dubini od 7 km temperatura je bila 120 o C, na 10 km -180 o C, na 12 km -220 o C. Pretpostavlja se da će na projektnoj dubini temperatura biti blizu 280 o C. Drugi primjer su podaci iz bušotine koja se nalazi u Severnom Kaspijskom regionu, u području aktivnijeg endogenog režima. U njemu se na dubini od 500 m ispostavilo da je temperatura 42,2 o C, na 1500 m - 69,9 o C, na 2000 m - 80,4 o C, na 3000 m - 108,3 o C.
Kolika je temperatura u dubljim zonama Zemljinog omotača i jezgra? Dobiveni su manje-više pouzdani podaci o temperaturi baze sloja B gornjeg plašta (vidi sliku 1.6). Prema V.N. Žarkovu, „detaljne studije faznog dijagrama Mg 2 SiO 4 - Fe 2 Si0 4 omogućile su određivanje referentne temperature na dubini koja odgovara prvoj zoni faznih prelaza (400 km)” (tj. od olivina u spinel). Temperatura ovdje, kao rezultat ovih istraživanja, iznosi oko 1600 50 o C.
Pitanje raspodjele temperatura u omotaču ispod sloja B i Zemljinog jezgra još uvijek nije riješeno, pa su stoga izražene različite ideje. Može se samo pretpostaviti da temperatura raste sa dubinom sa značajnim smanjenjem geotermalnog gradijenta i povećanjem geotermalnog koraka. Pretpostavlja se da je temperatura u Zemljinom jezgru u rasponu od 4000-5000 o C.
Prosječan hemijski sastav Zemlje. Za procjenu hemijskog sastava Zemlje koriste se podaci o meteoritima, koji su najvjerovatniji uzorci protoplanetarnog materijala od kojeg su nastale zemaljske planete i asteroidi. Do danas, mnogi od onih koji su pali na Zemlju u različita vremena i na različitim mjestima meteorita. Na osnovu njihovog sastava, razlikuju se tri vrste meteorita: 1) željezo, sastoji se uglavnom od gvožđa nikla (90-91% Fe), sa malom primesom fosfora i kobalta; 2) ironstone(sideroliti), koji se sastoje od minerala željeza i silikata; 3) kamen, ili aeroliti, koji se uglavnom sastoje od fero-magnezijskih silikata i inkluzija gvožđa nikla.
Najčešći su kameni meteoriti - oko 92,7% svih nalaza, željezo-kamen 1,3% i željezo 5,6%. Kameni meteoriti se dijele u dvije grupe: a) hondriti sa malim zaobljenim zrnima - hondrule (90%); b) ahondriti koji ne sadrže hondrule. Sastav kamenih meteorita je blizak ultramafičnim magmatskim stijenama. Prema M. Bottu, oni sadrže oko 12% gvožđe-nikl faze.
Na osnovu analize sastava različitih meteorita, kao i dobijenih eksperimentalnih geohemijskih i geofizičkih podataka, jedan broj istraživača daje savremenu procenu bruto elementarnog sastava Zemlje, prikazanu u tabeli. 1.3.
Kao što se vidi iz tabelarnih podataka, povećana abundantnost se odnosi na četiri najvažnija elementa – O, Fe, Si, Mg, koji čine preko 91%. Grupa manje uobičajenih elemenata uključuje Ni, S, Ca, A1. Ostali elementi periodni sistem Mendeljejev u na globalnom nivou u smislu opšte rasprostranjenosti oni su od sekundarnog značaja. Ako uporedimo date podatke sa sastavom zemljine kore, jasno je vidljiva značajna razlika koja se sastoji od naglog smanjenja O, A1, Si i značajnog povećanja Fe, Mg i pojave S i Ni u primetnim količinama. .
Oblik Zemlje naziva se geoid. O dubinskoj strukturi Zemlje sude se po uzdužnim i poprečnim seizmičkim talasima, koji, šireći se unutar Zemlje, doživljavaju prelamanje, refleksiju i slabljenje, što ukazuje na slojevitost Zemlje. Postoje tri glavna područja:
zemljina kora;
plašt: gornji do dubine od 900 km, donji do dubine od 2900 km;
vanjsko jezgro Zemlje do dubine od 5120 km, unutrašnje jezgro do dubine od 6371 km.
Unutrašnja toplota Zemlje povezana je sa raspadom radioaktivnih elemenata - uranijuma, torijuma, kalijuma, rubidijuma, itd. Prosečna vrednost toplotnog toka je 1,4-1,5 µcal/cm2.s.
1. Kakav je oblik i veličina Zemlje?
2. Koje metode postoje za proučavanje unutrašnje strukture Zemlje?
3. Kakva je unutrašnja struktura Zemlje?
4. Koje seizmičke sekcije prvog reda su jasno identifikovane prilikom analize strukture Zemlje?
5. Koje su granice dionica Mohorovičić i Gutenberg?
6. Kolika je prosječna gustina Zemlje i kako se mijenja na granici plašta i jezgra?
7. Kako se mijenja protok topline u različitim zonama? Kako se razumije promjena geotermalnog gradijenta i geotermalnog koraka?
8. Koji se podaci koriste za određivanje prosječnog hemijskog sastava Zemlje?
Književnost
-
Voitkevich G.V. Osnove teorije o nastanku Zemlje. M., 1988.
-
Zharkov V.N. Unutrašnja struktura Zemlja i planete. M., 1978.
-
Magnitsky V.A. Unutrašnja struktura i fizika Zemlje. M., 1965.
-
Eseji komparativna planetologija. M., 1981.
-
Ringwood A.E. Sastav i porijeklo Zemlje. M., 1981.