Maaperän lämpötila eri syvyyksissä. Maapallon sisäosien lämpötila. Maan syvyyksien minimi- ja maksimilämpötilat

Suurin haaste on patogeenisen mikroflooran välttäminen. Ja tämä on vaikea tehdä kosteudessa kyllästetyssä ja riittävän lämpimässä ympäristössä. Jopa parhaissa kellareissa on aina hometta. Siksi tarvitsemme säännöllisesti käytetyn putkenpuhdistusjärjestelmän seinille kertyvistä ikävistä asioista. Ja se ei ole niin helppoa tehdä 3 metrin talletuksella. Ensinnäkin mieleen tulee mekaaninen menetelmä - harja. Mitä tulee savupiippujen puhdistamiseen. Käyttämällä jonkinlaista nestemäistä kemiaa. Tai kaasua. Jos pumpat esimerkiksi fosgeenia putken läpi, kaikki kuolee ja tämä voi riittää pariksi kuukaudeksi. Mutta kaikki kaasu pääsee kemikaaliin. reaktiot kosteuden kanssa putkessa ja vastaavasti laskeutuu siihen, mikä tekee siitä ilmaa pitkään. Ja pitkä tuuletus johtaa patogeenien toipumiseen. Täällä tarvitset asiantuntevaa lähestymistapaa ja tietoa nykyaikaisista puhdistusaineista.

Yleensä allekirjoitan jokaisen sanan alle! (En todellakaan tiedä, mistä tässä pitäisi olla iloinen).

Tässä järjestelmässä näen useita ratkaisemattomia kysymyksiä:

1. Onko tämän lämmönvaihtimen pituus riittävän pitkä sen tehokkaaseen käyttöön (jonkinlainen vaikutus tulee olemaan, mutta ei ole selvää, kumpi)
2. Kondensaatio. Talvella se ei ole siellä, koska kylmää ilmaa pumpataan putken läpi. Lauhde virtaa putken ulkopuolelta - maahan (se on lämpimämpää). Mutta kesällä ... Ongelmana on MITEN pumpata kondensaattia 3 metrin syvyydestä - olen jo ajatellut tehdä ilmatiiviin kaivolasin kondenssiveden keräämiseksi kondenssiveden puolelle. Asenna siihen pumppu, joka pumppaa säännöllisesti kondenssivesiä ...
3. Oletetaan, että viemäriputket (muovi) on suljettu. Jos näin on, pohjavesi ei saa tunkeutua eikä se saa vaikuttaa ilman kosteuteen. Siksi luulen, että kosteutta ei tule (kuten kellarissa). Ainakin talvella. Luulen, että kellari on kostea huonon ilmanvaihdon vuoksi. Muotti ei pidä auringonvalosta ja vedosta (putkessa on luonnoksia). Ja nyt kysymys - MITEN sinetöityjä viemäriputkia maassa? Kuinka monta vuotta ne kestävät minulle? Tosiasia on, että tämä hanke on mukana - viemärijärjestelmää varten kaivetaan kaivanto (se on 1-1,2 m: n syvyydessä), sitten eristys (vaahdotettu polystyreeni) ja tylsä ​​maadoitusakku. Tämä tarkoittaa, että tämä järjestelmä ei ole korjattavissa, kun se on paineeton - en aio leipoa sitä - peitän sen vain maalla ja se on siinä.
4. Putkien puhdistus. Ajattelin tehdä katsomon hyvin alimmasta kohdasta. nyt on vähemmän "intuitismia" tässä asiassa - pohjavesi - voi osoittautua, että se tulvii ja järkeä ei ole lainkaan. Ilman kaivoa ei ole niin monia vaihtoehtoja:
a. tarkistuksia tehdään molemmille puolille (jokaiselle 110 mm putkelle), jotka menevät pintaan, ruostumaton kaapeli vedetään putken läpi. Puhdistusta varten kiinnitämme siihen kvachin. Miinus - pintaan tulee joukko putkia, jotka vaikuttavat akun lämpötilaan ja hydrodynaamisiin olosuhteisiin.
b. upota putket ajoittain esimerkiksi vedellä ja valkaisuaineella (tai muulla desinfiointiaineella) pumppaamalla vesi pois kondenssikaivosta putkien toisessa päässä. Sitten putkien kuivaus ilmalla (ehkä elvytetyssä tilassa - talosta ulos, vaikka en todellakaan pidä tästä ajatuksesta).
5. Hometta (vedos) ei tule. mutta muut juomassa elävät mikro -organismit ovat hyvin tasaisia. Talvella on toivoa - kylmä kuiva ilma desinfioi hyvin. Mahdollisuus suojata - suodatin akun tulossa. Tai ultravioletti (kallis)
6. Kuinka voimakasta on ajaa ilmaa tällaisen rakenteen yli?
Suodatin (hieno verkko) tuloaukossa
-> kierrä 90 astetta alaspäin
-> 4m 200mm putki alas
-> jaettu virtaus 4 110 mm putkeen
-> 10 metriä vaakatasossa
-> kierrä 90 astetta alaspäin
-> 1 metri alas
-> kierrä 90 astetta
-> 10 metriä vaakatasossa
-> kokoelma virtausta 200 mm putkessa
-> 2 metriä ylöspäin
-> käännä 90 astetta (taloon)
-> suodatinpaperi- tai kangastasku
-> tuuletin

Meillä on 25 metrin putket, 6 kierrosta 90 astetta (käännökset voidaan tehdä tasaisemmin - 2x45), 2 suodatinta. Haluan 300-400m3 / h. Virtausnopeus ~ 4m / s

Lämpötilakenttien simuloimiseksi ja muihin laskelmiin on tarpeen tietää maaperän lämpötila tietyllä syvyydellä.

Maaperän lämpötila syvyydessä mitataan uuttopohjaisten lämpömittarien avulla. Nämä ovat suunniteltuja selvityksiä, joita sääasemat suorittavat säännöllisesti. Tutkimustiedot toimivat ilmastotutkimusten ja sääntelyasiakirjojen perustana.

Jos haluat saada maan lämpötilan tietyllä syvyydellä, voit kokeilla esimerkiksi kahta yksinkertaista menetelmää. Molemmilla tavoilla käytetään viitekirjoja:

1. Lämpötilan arvioimiseksi voit käyttää asiakirjaa CPI-22. "Rautatien risteykset putkilinjoilla". Tässä putkistojen lämpötekniikan laskentamenetelmän puitteissa on esitetty taulukko 1, jossa tietyille ilmastoalueille maaperän lämpötilat ilmoitetaan mittaussyvyydestä riippuen. Esitän tämän taulukon alla.

pöytä 1

1. Taulukko maaperän lämpötiloista eri syvyyksissä lähteestä "auttaakseen kaasuteollisuuden työntekijää" Neuvostoliiton ajalta

Normaalit pakkasen tunkeutumissyvyydet joissakin kaupungeissa:

Maaperän jäätymisen syvyys riippuu maaperän tyypistä:

Mielestäni helpoin vaihtoehto on käyttää yllä olevia viitetietoja ja interpoloida sitten.

Luotettavin vaihtoehto tarkkoja laskelmia varten maan lämpötilan avulla on käyttää sääpalvelujen tietoja. On olemassa joitakin online -hakemistoja, jotka perustuvat sääpalveluihin. Esimerkiksi http://www.atlas-yakutia.ru/.

Täällä riittää, kun valitset asutuksen, maaperän tyypin ja saat maaperän lämpötilakartan tai sen tiedot taulukkomuodossa. Periaatteessa se on kätevää, mutta näyttää siltä, ​​että tämä resurssi on maksettu.

Jos tiedät enemmän tapoja määrittää maaperän lämpötila tietyllä syvyydellä, kirjoita kommentteja.

Saatat olla kiinnostunut seuraavasta materiaalista:

Lämpötila maan sisällä. Maan kuorien lämpötilan määrittäminen perustuu erilaisiin, usein epäsuoriin tietoihin. Luotettavimmat lämpötilatiedot koskevat maankuoren ylintä osaa, jonka kaivokset ja porareiät paljastavat enintään 12 km: n syvyyteen (Kola -kaivo).

Lämpötilan nousua celsiusasteina syvyysyksikköä kohti kutsutaan geoterminen kaltevuus, ja syvyys metreinä, joiden aikana lämpötila nousee 1 0 С - maalämpö. Maalämpögradientti ja vastaavasti geoterminen vaihe vaihtelevat paikasta riippuen geologisista olosuhteista, endogeenisestä aktiivisuudesta eri alueilla sekä kivien heterogeenisestä lämmönjohtavuudesta riippuen. Samaan aikaan B. Gutenbergin mukaan vaihtelujen rajat eroavat yli 25 kertaa. Esimerkki tästä on kaksi jyrkästi erilaista kaltevuutta: 1) 150 o / 1 km Oregonissa (USA), 2) 6 o / 1 km Etelä -Afrikassa. Näiden geotermisten gradienttien mukaan geoterminen vaihe muuttuu 6,67 metristä ensimmäisessä tapauksessa 167 metriin toisessa. Yleisimmät kaltevuuden vaihtelut ovat alueella 20-50 o ja maalämpövaihe -15-45 m. Keskimääräinen maalämpögradientti on jo pitkään otettu 30 oC / 1 km.

VN Zharkovin mukaan maapallon lähellä olevan maalämpögradientin arvioidaan olevan 20 o C / 1 km. Jos lähdemme näistä kahdesta geotermisen kaltevuuden arvosta ja sen muuttumattomuudesta syvälle maahan, niin 100 km: n syvyydessä lämpötilan olisi pitänyt olla 3000 tai 2000 o C. Tämä on kuitenkin ristiriidassa tiedot. Näistä syvyyksistä on peräisin säännöllisesti magmakammioita, joista laava virtaa pintaan ja jonka lämpötila on enintään 1200–1250 o. Kun otetaan huomioon tämä erikoinen "lämpömittari", useat kirjoittajat (V. A. Lyubimov, V. A. Magnitsky) uskovat, että 100 kilometrin syvyydessä lämpötila ei voi ylittää 1300-1500 oC.

Korkeammissa lämpötiloissa vaipan kivet olisivat täysin sulanneet, mikä on ristiriidassa leikkausseismisten aaltojen vapaan kulun kanssa. Siten keskimääräinen geoterminen kaltevuus jäljitetään vain tiettyyn suhteellisen matalaan syvyyteen pinnasta (20-30 km), ja sen pitäisi sitten laskea. Mutta jopa tässä tapauksessa samassa paikassa lämpötilan muutos syvyyden kanssa on epätasainen. Tämä näkyy esimerkissä lämpötilan muutoksista syvyydellä Kola -kaivoa pitkin, joka sijaitsee lavan vakaassa kiteisessä kilvessä. Kun tämä kaivo asetettiin, laskettiin geoterminen gradientti 10 o / 1 km, ja siksi suunnittelusyvyydellä (15 km) odotettiin noin 150 o C: n lämpötilaa. 3 km: n syvyyteen, ja sitten se alkoi kasvaa 1,5-2,0 kertaa. 7 km: n syvyydessä lämpötila oli 120 o С, 10 km -180 o С, 12 km -220 o С.Oletetaan, että suunnittelusyvyydellä lämpötila on lähellä 280 o С.Kaspianmeri alueella, aktiivisemman endogeenisen järjestelmän alueella. Siinä 500 metrin syvyydessä lämpötila osoittautui 42,2 o C, 1500 m - 69,9 o C, 2000 m - 80,4 o C, 3000 m - 108,3 o C.

Mikä on lämpötila maan vaipan ja ytimen syvemmillä vyöhykkeillä? Ylävaipan kerroksen B pohjan lämpötilasta saatiin enemmän tai vähemmän luotettavia tietoja (katso kuva 1.6). VN Zharkovin mukaan "Mg 2 SiO 4 - Fe 2 SiO 4 -kaavion yksityiskohtaiset tutkimukset mahdollistivat vertailulämpötilan määrittämisen ensimmäisen vaiheen siirtymävyöhykettä (400 km) vastaavalla syvyydellä" (ts. oliviinista spinelliin). Näiden tutkimusten tuloksena lämpötila täällä on noin 1600 50 o C.

Ongelmaa lämpötilan jakautumisesta vaipassa kerroksen B alapuolella ja maan ytimessä ei ole vielä ratkaistu, ja siksi ilmaistaan ​​erilaisia ​​ajatuksia. Voidaan vain olettaa, että lämpötila nousee syvyyden myötä, kun geoterminen gradientti vähenee merkittävästi ja geoterminen vaihe kasvaa. Oletetaan, että maapallon ytimen lämpötila on alueella 4000-5000 o C.

Maan keskimääräinen kemiallinen koostumus. Maan kemiallisen koostumuksen arvioimiseksi käytetään tietoja meteoriiteista, jotka ovat todennäköisimpiä näytteitä protoplanetaarisesta materiaalista, josta maanpäälliset planeetat ja asteroidit muodostettiin. Tähän mennessä monia meteoriitteja, jotka putosivat maahan eri aikoina ja eri paikoissa, on tutkittu hyvin. Koostumuksen mukaan meteoriitteja on kolmenlaisia: 1) rauta, koostuu pääasiassa nikkeliraudasta (90–91% Fe), pienestä määrästä fosforia ja kobolttia; 2) rautainen kivi(sideroliitit), jotka koostuvat raudasta ja silikaattimineraaleista; 3) kivi, tai aeroliitit, koostuu pääasiassa rauta-magnesiumsilikaateista ja nikkeli-raudan sulkeista.

Yleisimpiä ovat kiviset meteoriitit - noin 92,7% kaikista löydöistä, rautakivi 1,3% ja rauta 5,6%. Kivimeteoriitit on jaettu kahteen ryhmään: a) kondriitit, joilla on pienet pyöristetyt rakeet - kondruulit (90%); b) akondriitit, jotka eivät sisällä kondruleja. Kivisten meteoriittien koostumus on lähellä ultrabasisten magneettikivien koostumusta. M. Bottin mukaan ne sisältävät noin 12% rauta-nikkelifaasia.

Eri meteoriittien koostumuksen analyysin sekä saatujen kokeellisten geokemiallisten ja geofysikaalisten tietojen perusteella useat tutkijat antavat nykyaikaisen arvion maapallon alkuaineiden koostumuksesta, joka on esitetty taulukossa. 1.3.

Kuten taulukon tiedoista voidaan nähdä, lisääntynyt jakauma viittaa neljään tärkeimpään elementtiin - O, Fe, Si, Mg, joiden osuus on yli 91%. Harvinaisempien elementtien ryhmään kuuluvat Ni, S, Ca, A1. Muut Mendelejevin jaksollisen järjestelmän elementit maailmanlaajuisesti yleisen jakelun kannalta ovat toissijaisia. Jos vertaamme annettuja tietoja maankuoren koostumukseen, voimme selvästi nähdä merkittävän eron, joka koostuu O: n, A1: n, Si: n jyrkästä laskusta ja Fe: n, Mg: n merkittävästä kasvusta ja huomattavista määristä S: ää ja Ni.

Maan hahmoa kutsutaan geoidiksi. Maan syvän rakenteen arvioivat pitkittäiset ja poikittaiset seismiset aallot. Pääalueita on kolme:

Maankuori;

vaippa: ylempi 900 km: n syvyyteen, alempi 2900 km: n syvyyteen;

Maan ydin on 5120 km: n syvyyden ulkopuolella, 6371 km: n sisällä.

Maan sisäinen lämpö liittyy radioaktiivisten alkuaineiden - uraanin, toriumin, kaliumin, rubidiumin jne. - hajoamiseen. Keskimääräinen lämpövirta on 1,4-1,5 µcal / cm 2. s.

1. Mikä on maan muoto ja koko?

2. Mitkä ovat menetelmät maapallon sisäisen rakenteen tutkimiseksi?

3. Mikä on maan sisäinen rakenne?

4. Mitkä ensimmäisen asteen seismiset osat erottuvat selkeästi maapallon rakennetta analysoitaessa?

5. Mitä rajoja Mohorovichichin ja Gutenbergin kohdat vastaavat?

6. Mikä on maan keskimääräinen tiheys ja miten se muuttuu vaipan ja ytimen välisellä rajalla?

7. Miten lämpövirta muuttuu eri vyöhykkeillä? Miten geotermisen gradientin ja geotermisen vaiheen muutos ymmärretään?

8. Mitä tietoja käytetään maapallon keskimääräisen kemiallisen koostumuksen määrittämiseen?

Kirjallisuus

• G. V. Voitkevich Maapallon alkuperän teorian perusteet. M., 1988.

• Zharkov V.N. Maapallon ja planeettojen sisäinen rakenne. M., 1978.

• Magnitski V.A. Maan sisäinen rakenne ja fysiikka. M., 1965.

• Esseitä vertaileva planetologia. M., 1981.

• Ringwood A.E. Maan koostumus ja alkuperä. M., 1981.

"Maan huonolaatuisen lämpöenergian käyttö lämpöpumppujärjestelmissä"

Vasiliev G.P., OJSC INSOLAR-INVESTin tieteellinen johtaja, tekniikan tohtori, OJSC INSOLAR-INVESTin hallituksen puheenjohtaja
N.V. Shilkin, insinööri, NIISF (Moskova)

Polttoaineen ja energiavarojen järkevä käyttö on nykyään yksi globaaleista maailmanongelmista, joiden onnistuneella ratkaisulla on ilmeisesti ratkaiseva merkitys paitsi maailmanyhteisön edelleen kehittämiselle myös sen elinympäristön säilyttämiselle. Yksi lupaavista tavoista ratkaista tämä ongelma on uusien energiansäästötekniikoiden soveltaminen käyttämällä tavanomaisia ​​uusiutuvia energialähteitä (NRES) Perinteisten fossiilisten polttoaineiden varantojen ehtyminen ja sen palamisen ympäristövaikutukset ovat johtaneet viime vuosikymmeninä kiinnostukseen näistä tekniikoista merkittävästi lähes kaikissa maailman kehittyneissä maissa.

Käytettyjen lämmönsyöttötekniikoiden edut verrattuna perinteisiin vastaaviin tekniikoihin liittyvät paitsi energiankulutuksen huomattavaan vähenemiseen rakennusten ja rakenteiden elämän ylläpitojärjestelmissä, myös niiden ympäristöystävällisyyteen ja uusiin mahdollisuuksiin alalla lisäämällä elämän tukijärjestelmien itsenäisyyttä... Näillä ominaisuuksilla on ilmeisesti lähitulevaisuudessa ratkaiseva merkitys kilpailutilanteen muodostumisessa lämmöntuotantolaitteiden markkinoilla.

Analyysi mahdollisista soveltamisalueista Venäjän talouden energiansäästötekniikoilla epätavallisia energialähteitä, osoittaa, että Venäjällä lupaavin alue niiden toteuttamisessa on rakennusten elämän ylläpitojärjestelmät. Samaan aikaan erittäin tehokas suunta tarkasteltavien teknologioiden sisällyttämiseksi kotitalouksien rakentamiseen näyttää olevan lämpöpumpun lämmönsyöttöjärjestelmät (TST) käyttämällä maapallon pintakerrosten maaperää yleisesti saatavilla olevana matalan potentiaalin lämmönlähteenä.

Käyttämällä maan lämpöä voidaan erottaa kaksi lämpöenergian tyyppiä-suuri potentiaali ja matala potentiaali. Suuren potentiaalin lämpöenergian lähde on hydrotermiset resurssit - geologisten prosessien seurauksena lämpenevät lämpimät vedet korkeisiin lämpötiloihin, minkä ansiosta niitä voidaan käyttää rakennusten lämmitykseen. Maapallon suuren potentiaalin lämmön käyttö on kuitenkin rajoitettu alueille, joilla on tiettyjä geologisia parametreja. Venäjällä tämä on esimerkiksi Kamtšatka, Kaukasian kivennäisvesien alue; Euroopassa on potentiaalisen lämmön lähteitä Unkarissa, Islannissa ja Ranskassa.

Toisin kuin suuren potentiaalisen lämmön (hydrotermisten resurssien) "suora" käyttö, Maan huonolaatuisen lämmön käyttö lämpöpumppujen avulla on mahdollista lähes kaikkialla. Se on tällä hetkellä yksi nopeimmin kasvavista käyttöalueista. epätavallisia uusiutuvia energialähteitä.

Maan huonolaatuinen lämpö voidaan käyttää monenlaisissa rakennuksissa ja rakenteissa monin tavoin: lämmitykseen, käyttöveden syöttöön, ilmastointiin (jäähdytykseen), lämmitysreitteihin talvikaudella, jäätymisen estämiseksi, lämmityskentille avoimilla stadioneilla jne. kielitekninen kirjallisuus, kuten "GHP" - "maalämpöpumput", maalämpöpumput.

Keski- ja Pohjois-Euroopan maiden ilmasto-ominaisuudet, jotka yhdessä Yhdysvaltojen ja Kanadan kanssa ovat tärkeimmät alueet maapallon matalapotentiaalisen lämmön käytölle, määräävät pääasiassa lämmitystarpeen; ilman jäähdyttämistä kesälläkin tarvitaan suhteellisen harvoin. Siksi, toisin kuin Yhdysvallat, lämpöpumput Euroopan maissa ne toimivat pääasiassa lämmitystilassa. YHDYSVALLOISSA lämpöpumput käytetään useammin ilmalämmitysjärjestelmissä yhdessä ilmanvaihdon kanssa, mikä mahdollistaa sekä ulkoilman lämmittämisen että jäähdyttämisen. Euroopan maissa lämpöpumput käytetään yleensä käyttöveden lämmitysjärjestelmissä. Sikäli kuin lämpöpumpun hyötysuhde kasvaa, kun höyrystimen ja lauhduttimen lämpötilaero pienenee; usein rakennusten lämmitykseen käytetään lattialämmitysjärjestelmiä, joissa jäähdytysneste kiertää suhteellisen alhaisessa lämpötilassa (35–40 oC).

Suurin osa lämpöpumput Euroopassa, joka on suunniteltu käyttämään maapallon huonolaatuista lämpöä ja varustettu sähkökäyttöisillä kompressoreilla.

Viimeisten kymmenen vuoden aikana järjestelmien lukumäärä, jotka käyttävät maan huonolaatuista lämpöä rakennusten lämmitykseen ja jäähdytykseen lämpöpumput, on lisääntynyt merkittävästi. Suurin osa tällaisista järjestelmistä on käytössä Yhdysvalloissa. Suuri määrä tällaisia ​​järjestelmiä toimii Kanadassa sekä Keski- ja Pohjois -Euroopan maissa: Itävallassa, Saksassa, Ruotsissa ja Sveitsissä. Sveitsi on johtava maan heikon lämpöenergian käytön suhteen asukasta kohti. Venäjällä on viimeisen kymmenen vuoden aikana tekniikan mukaisesti ja tähän alaan erikoistuneen INSOLAR-INVEST OJSC: n osallistumisen myötä rakennettu vain muutamia kohteita, joista mielenkiintoisimmat esitetään.

Moskovassa, Nikulino-2-mikroalueella, se rakennettiin ensimmäistä kertaa lämpöpumpun käyttövesijärjestelmä monikerroksinen asuinrakennus. Tämän hankkeen toteutti vuosina 1998-2002 Venäjän federaation puolustusministeriö yhdessä Moskovan hallituksen, Venäjän teollisuus- ja tiedeministeriön, NP "AVOK" -yhdistyksen kanssa ja "Pitkän aikavälin energiansäästöohjelma Moskovassa".

Maan pintakerrosten maaperän lämpöä ja poistetun tuuletusilman lämpöä käytetään matalapotentiaalisena lämpöenergian lähteenä lämpöpumppujen höyrystimissä. Kuuman veden käsittelylaitos sijaitsee rakennuksen kellarissa. Se sisältää seuraavat pääosat:

• höyrypuristuslämpöpumppuyksiköt (HPU);
• kuumavesisäiliöt;
• järjestelmät maaperän huonolaatuisen lämpöenergian ja poistetun tuuletusilman huonolaatuisen lämmön keräämiseksi;
• kiertopumput, instrumentointi

Matalan potentiaalin maaperän lämmön keräysjärjestelmän tärkein lämmönvaihtinelementti ovat pystysuorat maan koaksiaalilämmönvaihtimet, jotka sijaitsevat rakennuksen kehän ulkopuolella. Nämä lämmönvaihtimet edustavat 8 kaivoa, joiden syvyys on 32-35 m, ja jotka on järjestetty talon lähelle. Koska käyttötapa lämpöpumput käyttäen maan lämpöä ja poistoilman lämpö, ​​vakio ja kuuman veden kulutus vaihtelee, käyttövesijärjestelmä on varustettu varastosäiliöillä.

Taulukossa esitetään tiedot maapallon huonolaatuisen lämpöenergian maailmanlaajuisesta käytöstä lämpöpumppujen avulla.

Taulukko 1. Maapallon huonolaatuisen lämpöenergian maailmanlaajuinen käyttö lämpöpumppujen avulla

Maaperä huonolaatuisen lämpöenergian lähteenä

Huonolaatuisen lämpöenergian lähteenä voidaan käyttää suhteellisen alhaisen lämpötilan pohjavettä tai maapallon (jopa 400 m syviä) maaperän maaperää.... Maaperän lämpöpitoisuus on yleensä suurempi. Maan pintakerrosten maaperän lämpötila muodostuu kahden päätekijän - pinnalle putoavan auringon säteilyn ja maan sisäisen radiogeenisen lämmön - vaikutuksesta.... Auringon säteilyn voimakkuuden ja ulkoilman lämpötilan kausittaiset ja päivittäiset muutokset aiheuttavat vaihtelua maaperän ylempien kerrosten lämpötilassa. Ulkoilman lämpötilan päivittäisten vaihtelujen tunkeutumissyvyys ja tulevan auringon säteilyn voimakkuus vaihtelevat maaperän ja ilmasto -olosuhteiden mukaan useista kymmenistä senttimetreistä puolitoista metriin. Ulkoilman lämpötilan kausivaihtelujen tunkeutumissyvyys ja tulevan auringon säteilyn voimakkuus eivät ylitä pääsääntöisesti 15-20 m.

Tämän syvyyden (neutraali vyöhyke) alapuolella sijaitsevien maaperrojen lämpötilajärjestelmä muodostuu maapallon suolista tulevan lämpöenergian vaikutuksesta eikä käytännössä ole riippuvainen kausiluonteisista ja vielä enemmän päivittäisistä muutoksista ulkoinen ilmasto (kuva 1).

Riisi. 1. Kaavio maaperän lämpötilan muutoksista syvyydestä riippuen

Kun syvyys kasvaa, maan lämpötila nousee geotermisen gradientin mukaisesti (noin 3 astetta 100 metrin välein). Maan sisäpuolelta tulevan radiogeenisen lämmön virran suuruus vaihtelee eri alueilla. Keski -Euroopassa tämä arvo on 0,05–0,12 W / m2.

Käyttöjakson aikana maaperän massa, joka sijaitsee matalan potentiaalin maaperän lämmönkeruujärjestelmän (lämmönkeruujärjestelmä) keräysjärjestelmän putkirekisterin lämpövaikutusvyöhykkeellä, johtuen kausiluonteisista muutoksista Ulkoinen ilmasto sekä lämmönkeruujärjestelmään kohdistuvien käyttökuormien vaikutuksesta altistuvat pääsääntöisesti toistuvalle jäätymiselle ja sulatukselle. Tässä tapauksessa tietysti muuttuu maaperän huokosissa ja yleensä sekä neste- että kiinteässä ja kaasumaisessa faasissa samanaikaisesti oleva kosteuden kokonaistila. Toisin sanoen lämmönkeräysjärjestelmän maaperä, riippumatta siitä, missä tilassa se on (jäädytetty tai sulatettu), on monimutkainen kolmivaiheinen polydispersinen heterogeeninen järjestelmä, jonka luuranko muodostuu valtavasta määrästä kiinteitä hiukkasia erilaisia ​​muotoja ja kokoja ja ne voivat olla sekä jäykkiä että liikkuvia riippuen siitä, ovatko hiukkaset tiukasti sidottu toisiinsa vai onko ne erotettu toisistaan ​​aineella liikkuvassa vaiheessa. Kiinteiden hiukkasten väliset raot voidaan täyttää mineralisoidulla kosteudella, kaasulla, höyryllä ja jäällä tai molemmilla. Tällaisen monikomponenttisen järjestelmän lämpötilan muodostavien lämmön- ja massansiirtoprosessien mallintaminen on äärimmäisen vaikea tehtävä, koska se edellyttää erilaisten toteutusmekanismien huomioon ottamista ja matemaattista kuvausta: lämmönjohtavuus yksittäisessä hiukkasessa, lämmönsiirto yhdestä hiukkasesta toisiinsa kosketuksen aikana, molekyylin lämmönjohtavuus väliaineessa, joka täyttää raot hiukkasten välillä, höyryn ja huokostilassa olevan kosteuden konvektio ja monet muut.

Erityistä huomiota olisi kiinnitettävä maaperän kosteuspitoisuuden ja sen huokostilan siirtymisen vaikutukseen lämpöprosesseihin, jotka määrittävät maaperän ominaisuudet matalapotentiaalisen lämpöenergian lähteenä.

Kapillaarihuokoisissa järjestelmissä, jotka ovat lämmönkeruujärjestelmän maaperää, kosteuden läsnäolo huokostilassa vaikuttaa merkittävästi lämmön etenemiseen. Tämän vaikutuksen oikea huomioon ottaminen liittyy nykyään merkittäviin vaikeuksiin, jotka liittyvät ensisijaisesti siihen, että ei ole selkeitä käsityksiä kiinteiden, nestemäisten ja kaasumaisten kosteusfaasien jakautumisen luonteesta järjestelmän tietyssä rakenteessa. Tähän asti ei ole selvitetty kosteuden sitovien voimien luonnetta luurankohiukkasten kanssa, kosteuden sitoutumismuotojen riippuvuutta materiaalin kanssa eri kosteusvaiheissa, kosteuden liikkeen mekanismia huokostilassa.

Maaperän paksuuden lämpötilagradientin läsnä ollessa höyrymolekyylit siirtyvät paikkoihin, joiden lämpötilapotentiaali on pienentynyt, mutta samaan aikaan painovoimien vaikutuksesta nestefaasissa tapahtuu päinvastainen kosteusvirtaus . Lisäksi maaperän ylempien kerrosten lämpötilajärjestelmään vaikuttavat ilmakehän sateiden kosteus sekä pohjavesi.

Tärkeimmät tekijät, joiden vaikutuksesta muodostuu alhaisen potentiaalin maaperän lämmön keräämiseen tarkoitettujen järjestelmien maaperän lämpötilajärjestelmä, on esitetty kuvassa. 2.

Riisi. 2. Tekijät, joiden vaikutuksesta maaperän lämpötilajärjestelmä muodostuu

Järjestelmien tyypit maapallon matalapotentiaalisen lämpöenergian käyttöön

Maalämmönvaihtimet yhdistyvät lämpöpumpun laitteet maaperän kanssa. Maan lämmön "talteenoton" lisäksi maanlämmönvaihtimia voidaan käyttää myös lämmön (tai kylmän) keräämiseen maan massaan.

Yleisesti voidaan erottaa kahdenlaisia ​​järjestelmiä maapallon matalapotentiaalisen lämpöenergian käyttämiseksi.:

• avoimet järjestelmät: suoraan lämpöpumppuihin syötettyä pohjavettä käytetään huonolaatuisen lämpöenergian lähteenä;
• suljetut järjestelmät: lämmönvaihtimet sijaitsevat maaperän massassa; kun niiden läpi kiertää jäähdytysneste, jonka lämpötila on alhainen suhteessa maahan, lämpöenergia "otetaan" maasta ja siirretään höyrystimeen lämpöpumppu(tai käytettäessä lämmönsiirtoainetta, jonka lämpötila on kohonnut maahan verrattuna, sen jäähdytys).

Pääosa avoimista järjestelmistä on kaivoja, joiden avulla pohjavesi voidaan ottaa maaperän pohjavesistä ja palauttaa vesi takaisin samoihin pohjavesikerroksiin. Yleensä tätä varten järjestetään parillisia kaivoja. Kaavio tällaisesta järjestelmästä on esitetty kuvassa. 3.

Riisi. 3. Kaavio pohjaveden matalapotentiaalisen lämpöenergian avoimen järjestelmän käytöstä

Avoimien järjestelmien etuna on kyky saada suuri määrä lämpöenergiaa suhteellisen alhaisilla kustannuksilla. Kaivot vaativat kuitenkin huoltoa. Lisäksi tällaisten järjestelmien käyttö ei ole mahdollista kaikilla alueilla. Tärkeimmät vaatimukset maaperälle ja pohjavedelle ovat seuraavat:

• maaperän riittävä vedenläpäisevyys, joka mahdollistaa vesivarojen täydentämisen;
• hyvä pohjaveden kemia (esim. alhainen rautapitoisuus), jotta vältetään putken seinämän kerrostumiin ja korroosioon liittyvät ongelmat.

Avoimia järjestelmiä käytetään useammin suurten rakennusten lämmitykseen tai jäähdytykseen. Maailman suurin maalämpöpumppujärjestelmä käyttää pohjavettä huonolaatuisen lämpöenergian lähteenä. Tämä järjestelmä sijaitsee Louisvillessä, Kentuckyssa, Yhdysvalloissa. Järjestelmää käytetään hotellin toimistokompleksin lämmön ja kylmän toimittamiseen; sen teho on noin 10 MW.

Joskus järjestelmiin, jotka käyttävät maapallon lämpöä, kuuluvat järjestelmät, jotka käyttävät huonolaatuista lämpöä avoimista vesistöistä, luonnollisista ja keinotekoisista. Tämä lähestymistapa on otettu käyttöön erityisesti Yhdysvalloissa. Järjestelmät, jotka käyttävät vesistöjen heikkolaatuista lämpöä, luokitellaan avoimiksi, samoin kuin järjestelmät, jotka käyttävät pohjaveden heikkolaatuista lämpöä.

Suljetut järjestelmät on puolestaan ​​jaettu vaaka- ja pystysuoraan.

Vaakasuora maanlämmönvaihdin(Englanninkielisessä kirjallisuudessa käytetään myös termejä "maanlämmön kerääjä" ja "vaakasuora silmukka") yleensä asetetaan talon lähelle matalaan syvyyteen (mutta talvella maaperän jäätymisen tason alapuolelle). Vaakasuuntaisten maanlämmönvaihtimien käyttöä rajoittaa käytettävissä olevan alueen koko.

Länsi- ja Keski -Euroopan maissa vaakasuuntaiset maanlämmönvaihtimet edustavat yleensä erillisiä putkia, jotka on asetettu suhteellisen tiukasti ja kytketty sarjaan tai rinnakkain (kuvat 4a, 4b). Paikan alueen säästämiseksi kehitettiin parannettuja lämmönvaihtimia, esimerkiksi vaakasuoraan tai pystysuoraan sijoitettuja lämmönvaihtimia spiraalin muodossa (kuva 4e, 4f). Tämä lämmönvaihtimen muoto on yleinen Yhdysvalloissa.

Riisi. 4. Vaakasuuntaisten maanlämmönvaihtimien tyypit
a - sarjaan kytkettyjen putkien lämmönvaihdin;
b - rinnakkain kytketyistä putkista valmistettu lämmönvaihdin;
в - vaakasuora keräin, joka on sijoitettu kaivoon;
d - lämmönvaihdin silmukan muodossa;
e - vaakasuoraan sijoitettu lämmönvaihdin spiraalin muodossa (ns. "slinky" -keräin);
e - pystysuoraan sijoitettu lämmönvaihdin spiraalin muodossa

Jos vaakasuorilla lämmönvaihtimilla varustettua järjestelmää käytetään vain lämmöntuotantoon, sen normaali toiminta on mahdollista vain, jos maan pinnalta saadaan riittävästi lämpöä auringon säteilyn vuoksi. Tästä syystä lämmönvaihtimien yläpuolella oleva pinta on altistettava auringonvalolle.

Pystysuorat maanlämmönvaihtimet(Englanninkielisessä kirjallisuudessa nimitys "BHE"-"porausreiän lämmönvaihdin" hyväksytään) sallii käyttää "neutraalin vyöhykkeen" (10–20 m maanpinnasta) alapuolella olevan maaperän matalapotentiaalista lämpöenergiaa taso). Järjestelmät, joissa on pystysuorat maanlämmönvaihtimet, eivät vaadi suuria alueita eivätkä ole riippuvaisia ​​pinnalle putoavan auringonsäteilyn voimakkuudesta. Pystysuorat maanlämmönvaihtimet toimivat tehokkaasti lähes kaikentyyppisissä geologisissa ympäristöissä, lukuun ottamatta maaperää, jonka lämmönjohtavuus on alhainen, kuten kuivaa hiekkaa tai kuivaa soraa. Järjestelmät, joissa on pystysuorat maanlämmönvaihtimet, ovat hyvin yleisiä.

Yksittäisen asuinrakennuksen lämmitys- ja käyttövesijärjestelmä pystysuoralla maalämmönvaihtimella varustetun lämpöpumppulaitteiston avulla on esitetty kuvassa. 5.

Riisi. 5. Yhden perheen asuinrakennuksen lämmitys- ja käyttövesijärjestelmä lämpöpumppulaitteiston avulla, jossa on pystysuora maanlämmönvaihdin

Jäähdytysneste kiertää putkien (useimmiten polyeteeni tai polypropeeni) kautta, jotka on sijoitettu pystysuoriin kaivoihin, joiden syvyys on 50-200 m. Yleensä käytetään kahdenlaisia ​​pystysuoria maanlämmönvaihtimia (kuva 6):

• U-muotoinen lämmönvaihdin, joka on kaksi rinnakkaista putkea, jotka on liitetty pohjaan. Yksi kaivo sisältää yhden tai kaksi (harvoin kolme) paria tällaisia ​​putkia. Tämän järjestelyn etuna on suhteellisen alhaiset valmistuskustannukset. Kaksinkertaiset U-muotoiset lämmönvaihtimet ovat Euroopan laajimmin käytetty pystysuuntaisten maanlämmönvaihtimien tyyppi.
• Koaksiaalinen (samankeskinen) lämmönvaihdin. Yksinkertaisin koaksiaalinen lämmönvaihdin koostuu kahdesta eri halkaisijan putkesta. Putki, jonka halkaisija on pienempi, sijaitsee toisen putken sisällä. Koaksiaalilämmönvaihtimet voivat olla monimutkaisempia.

Riisi. 6. Erilaisten pystysuuntaisten maanlämmönvaihtimien osa

Lämmönvaihtimien tehokkuuden lisäämiseksi porausreiän seinien ja putkien välinen tila täytetään erityisillä lämpöä johtavilla materiaaleilla.

Järjestelmiä, joissa on pystysuorat maanlämmönvaihtimet, voidaan käyttää erikokoisten rakennusten lämmittämiseen ja jäähdyttämiseen. Pienelle rakennukselle riittää yksi lämmönvaihdin; suurissa rakennuksissa voi olla tarpeen asentaa koko kaivoryhmä pystysuorilla lämmönvaihtimilla. Suurin määrä kaivoja maailmassa käytetään Yhdysvaltain Richard Stockton Collegessa New Jerseyn osavaltion lämmitys- ja jäähdytysjärjestelmässä. Korkeakoulun pystysuorat maanlämmönvaihtimet sijaitsevat 400 porausreiässä, joiden syvyys on 130 m. Euroopassa eniten porausreikiä (154 porausreikää, joiden syvyys on 70 m) käytetään Saksan ilmaliikenteen (Deutsche Flug) päämajan lämmitys- ja jäähdytysjärjestelmässä -sisar).

Erityinen tapaus pystysuorassa suljetussa järjestelmässä on rakennusrakenteiden käyttö maanlämmönvaihtimina, esimerkiksi perustukset, joissa on monoliittisia putkistoja. Tällaisen paalun poikkileikkaus, jossa on kolme maanlämmönvaihtimen muotoa, on esitetty kuviossa. 7.

Riisi. 7. Kaavio rakennuksen perustuksiin upotetuista maanlämmönvaihtimista ja tällaisen paalun poikkileikkaus

Maaperää (pystysuuntaisten maanlämmönvaihtimien tapauksessa) ja rakennusrakenteita, joissa on maanlämmönvaihtimet, voidaan käyttää paitsi lähteenä myös luonnollisena lämpöenergian tai "kylmän", esimerkiksi aurinkolämmön, varaajana säteilyä.

On järjestelmiä, joita ei voida yksiselitteisesti luokitella avoimiksi tai suljetuiksi. Esimerkiksi yksi ja sama syvä (100–450 m syvä) kaivo, joka on täytetty vedellä, voi olla sekä tuotanto että ruiskutus. Kaivon halkaisija on yleensä 15 cm. Kaivon alaosaan sijoitetaan pumppu, jonka kautta vesi kaivosta johdetaan lämpöpumpun höyrystimiin. Paluuvesi palaa saman kaivon vesipatsaan yläosaan. Kaivoa täydennetään jatkuvasti pohjavedellä, ja avoin järjestelmä toimii kuin suljettu. Tämän tyyppisiä järjestelmiä englanninkielisessä kirjallisuudessa kutsutaan "seisoviksi pylväskaivoiksi" (kuva 8).

Riisi. 8. Seisova pylväskaavio

Tyypillisesti tämän tyyppisiä kaivoja käytetään myös rakennuksen juomaveden toimittamiseen.... Tällainen järjestelmä voi kuitenkin toimia tehokkaasti vain maaperässä, joka tarjoaa kaivolle jatkuvasti vettä, mikä estää sen jäätymisen. Jos pohjavesi on liian syvä, järjestelmän normaaliin toimintaan tarvitaan tehokas pumppu, joka vaatii lisää energiankulutusta. Kaivon suuri syvyys määrää tällaisten järjestelmien melko korkeat kustannukset, joten niitä ei käytetä pienten rakennusten lämmitykseen ja jäähdytykseen. Nyt maailmassa on useita tällaisia ​​järjestelmiä Yhdysvalloissa, Saksassa ja Euroopassa.

Yksi lupaavista alueista on kaivoksista ja tunneleista peräisin olevan veden käyttö huonolaatuisen lämpöenergian lähteenä. Tämän veden lämpötila on vakio ympäri vuoden. Vettä kaivoksista ja tunneleista on helposti saatavilla.

"Vakaus" järjestelmissä, jotka käyttävät maan heikkolaatuista lämpöä

Maalämmönvaihtimen käytön aikana voi syntyä tilanne, jossa lämmityskauden aikana maaperän lämpötila maanlämmönvaihtimen lähellä laskee ja kesäkaudella maaperällä ei ole aikaa lämmetä alkuperäiseen lämpötilaan - sen lämpötilapotentiaali pienenee. Energiankulutus seuraavan lämmityskauden aikana aiheuttaa vielä suuremman maan lämpötilan laskun ja sen lämpötilapotentiaali pienenee edelleen. Tämä pakottaa järjestelmien suunnittelun Maan huonolaatuisen lämmön käyttö harkita tällaisten järjestelmien "kestävyyden" ongelmaa. Usein energiaresursseja käytetään erittäin intensiivisesti laitteiden takaisinmaksuajan lyhentämiseen, mikä voi johtaa niiden nopeaan loppumiseen. Siksi on tarpeen säilyttää sellainen energiantuotannon taso, joka mahdollistaisi energiavarojen lähteen hyödyntämisen pitkään. Tätä järjestelmien kykyä ylläpitää vaadittua lämmöntuotantotasoa pitkään kutsutaan "kestävyydeksi". Järjestelmiin, jotka käyttävät huonolaatuisia maan lämpöä seuraava kestävyyden määritelmä on annettu: ”Jokaiselle maapallon huonolaatuista lämpöä käyttävälle järjestelmälle ja tämän järjestelmän jokaiselle toimintatavalle on määritetty tietty energian enimmäistaso; Tämän tason alapuolella oleva energiantuotanto voidaan säilyttää pitkään (100-300 vuotta). "

Tehty vuonna OJSC "INSOLAR-INVEST" Tutkimukset ovat osoittaneet, että maaperän lämpöenergian kulutus lämmityskauden loppuun mennessä aiheuttaa maaperän lämpötilan laskun lämmönkeruujärjestelmän putkirekisterin lähellä, mikä maaperässä ja ilmasto -olosuhteissa useimmissa Venäjän alueella ei ole aikaa korvata vuoden kesäkaudella, ja seuraavan lämmityskauden alkaessa maaperän lämpötila laskee. Lämpöenergian kulutus seuraavan lämmityskauden aikana johtaa maan lämpötilan laskuun entisestään, ja kolmannen lämmityskauden alussa sen lämpötilapotentiaali on vieläkin erilainen kuin luonnollinen. Jne. Kuitenkin lämmönkeruujärjestelmän pitkäaikaisen käytön lämpövaikutuksen kirjekuoret maaperän luonnolliseen lämpötilajärjestelmään ovat selkeästi eksponentiaalisia, ja viidenneksi toimintavuoteen mennessä maaperä siirtyy uuteen, lähellä määräajoin eli viidennestä toimintavuodesta lähtien maaperän massan lämmönkeruujärjestelmän pitkän aikavälin lämpöenergian kulutukseen liittyy ajoittain sen lämpötilan muutoksia. Suunnittelussa siis lämpöpumpun lämmön syöttöjärjestelmät vaikuttaa tarpeelliselta ottaa huomioon maaperän massiivien lämpötilojen lasku, joka johtuu lämmönkeruujärjestelmän pitkäaikaisesta toiminnasta, ja käyttää suunnitteluparametreina maaperän massiivin viidennen toimintavuoden odotettuja lämpötiloja TST.

Yhdistetyissä järjestelmissä käytetään sekä lämmön- että kylmäsyöttöön, lämpötilataso asetetaan "automaattisesti": talvella (tarvitaan lämmitys) maaperä jäähdytetään, kesällä (vaaditaan kylmä) - maaperä lämmitetään. Järjestelmät, jotka käyttävät huonolaatuista pohjaveden lämpöä, täydentävät jatkuvasti vesivarantoja pinnasta imeytyvästä vedestä ja syvemmistä maankerroksista tulevasta vedestä. Siten pohjaveden lämpöpitoisuus kasvaa sekä "ylhäältä" (ilmakehän lämmön vuoksi) että "alhaalta" (maapallon lämmön vuoksi); "ylhäältä" ja "alhaalta" tulevan lämmön määrä riippuu pohjaveden paksuudesta ja syvyydestä. Näiden lämmöntuottojen ansiosta pohjaveden lämpötila pysyy vakiona koko kauden ajan ja muuttuu vähän käytön aikana.

Tilanne on erilainen järjestelmissä, joissa on pystysuorat maanlämmönvaihtimet. Kun lämpö poistetaan, maaperän lämpötila maanlämmönvaihtimen ympärillä laskee. Lämpötilan laskuun vaikuttavat sekä lämmönvaihtimen suunnitteluominaisuudet että sen toimintatapa. Esimerkiksi järjestelmissä, joissa lämmöntuotto on suuri (useita kymmeniä wattia lämmönvaihtimen pituuden metriä kohti) tai järjestelmissä, joissa on maanlämmönvaihdin, joka sijaitsee maaperässä, jonka lämmönjohtavuus on alhainen (esimerkiksi kuivassa hiekassa tai kuivassa sorassa) ), lämpötilan lasku on erityisen havaittavissa ja voi johtaa maaperän jäätymiseen maaperän lämmönvaihtimen ympärillä.

Saksalaiset asiantuntijat ovat mitanneet maaperän lämpötilan, johon on järjestetty pystysuora maaperän lämmönvaihdin, jonka syvyys on 50 m ja joka sijaitsee lähellä Frankfurt am Mainia. Tätä varten porattiin 9 saman syvyyden kaivoa pääkaivon ympärille 2,5, 5 ja 10 metrin päässä. Kaikkien kymmenen kaivon lämpötila -anturit asennettiin 2 metrin välein - yhteensä 240 anturia. Kuviossa 1 Kuvio 9 esittää kaavioita, jotka esittävät maaperän lämpötilan jakautumisen pystysuoran maanlämmönvaihtimen ympärillä ensimmäisen lämmityskauden alussa ja lopussa. Lämmityskauden lopussa lämmönvaihtimen ympärillä olevan maaperän lämpötilan lasku on selvästi havaittavissa. Ympäröivästä maaperän massasta lämmönvaihtimeen on suunnattu lämpövirta, joka kompensoi osittain lämmön "poistamisen" aiheuttamaa maaperän lämpötilan laskua. Tämän vuon suuruuden, verrattuna maan sisältä tulevan lämpövirran suuruuteen tietyllä alueella (80–100 mW / m2), arvioidaan olevan melko suuri (useita wattia neliömetriä kohti).

Riisi. 9. Kaaviot lämpötilan jakautumisesta maaperän massassa pystysuoran maanlämmönvaihtimen ympärillä ensimmäisen lämmityskauden alussa ja lopussa

Koska pystysuorien lämmönvaihtimien suhteellisen laaja käyttö alkoi tulla noin 15–20 vuotta sitten, kaikkialla maailmassa ei ole riittävästi kokeellista tietoa, joka olisi saatu pitkällä (useita kymmeniä vuosia) järjestelmillä, joissa on tämäntyyppisiä lämmönvaihtimia. . Herää kysymys näiden järjestelmien vakaudesta, niiden luotettavuudesta pitkällä käyttöajalla. Onko maapallon huonolaatuinen lämpö uusiutuva energialähde? Mikä on tämän lähteen "uusimisaika"?

Kun käytössä on maaseudun koulu Jaroslavlin alueella, varustettu lämpöpumppujärjestelmä käyttämällä pystysuoraa maanlämmönvaihdinta, ominaislämpötehon keskiarvot olivat 120-190 W / lineaarinen. m lämmönvaihtimen pituus.

Vuodesta 1986 lähtien Sveitsissä lähellä Zürichiä on tehty tutkimuksia pystysuuntaisten maanlämmönvaihtimien järjestelmästä. Maaperän massiiviin asennettiin pystysuora, koaksiaalinen lämmönvaihdin, jonka syvyys oli 105 m. Pystysuuntaisen maanlämmönvaihtimen huipputeho oli noin 70 wattia pituusmetriä kohti, mikä loi merkittävän lämpökuorman ympäröivälle maaperälle. Vuotuinen lämmöntuotanto on noin 13 MWh

0,5 ja 1 metrin etäisyydellä pääkaivosta porattiin kaksi ylimääräistä kaivoa, joihin lämpötila -anturit asennettiin 1, 2, 5, 10, 20, 35, 50, 65, 85 ja 105 m syvyyteen, minkä jälkeen kaivot täytettiin savi-sementtiseoksella. Lämpötila mitattiin 30 minuutin välein. Maaperän lämpötilan lisäksi rekisteröitiin myös muita parametreja: jäähdytysnesteen liikenopeus, energiankulutus lämpöpumpun kompressorin käytöllä, ilman lämpötila jne.

Ensimmäinen havaintojakso kesti vuodesta 1986 vuoteen 1991. Mittaukset ovat osoittaneet, että ulkoilman lämmön ja auringon säteilyn vaikutus havaitaan maaperän pintakerroksessa 15 metrin syvyydessä. Tämän tason alapuolella maaperän lämpötila muodostuu pääasiassa maapallon sisätilat. Ensimmäiset 2-3 toimintavuotta maaperän lämpötila Pystysuoraa lämmönvaihdinta ympäröivä lämpötila laski jyrkästi, mutta joka vuosi lämpötilan lasku laski, ja muutaman vuoden kuluttua järjestelmä siirtyi lähes vakiotilaan, kun lämmönvaihtimen ympärillä olevan maaperän lämpötila laski 1-2 ° C kuin alkuperäinen.

Syksyllä 1996, kymmenen vuotta järjestelmän käytön aloittamisen jälkeen, mittauksia jatkettiin. Nämä mittaukset osoittivat, että maaperän lämpötila ei muuttunut merkittävästi. Seuraavina vuosina havaittiin pieniä maan lämpötilan vaihteluja välillä 0,5 astetta vuotuisesta lämmityskuormituksesta riippuen. Siten järjestelmä saavutti lähes staattisen järjestelmän muutaman ensimmäisen toimintavuoden jälkeen.

Kokeellisten tietojen perusteella rakennettiin matemaattisia malleja maaperän massiivissa tapahtuvista prosesseista, mikä mahdollisti pitkän aikavälin ennusteen maaperän massiivin lämpötilan muutoksista.

Matemaattinen mallinnus osoitti, että vuotuinen lämpötilan lasku vähenee vähitellen ja lämmönvaihtimen ympärillä olevan maaperän tilavuus kasvaa lämpötilan laskiessa joka vuosi. Käyttöjakson lopussa regenerointiprosessi alkaa: maaperän lämpötila alkaa nousta. Regenerointiprosessin luonne on samanlainen kuin lämmön "louhinnan" prosessi: ensimmäisinä toimintavuosina maaperän lämpötila nousee jyrkästi, ja seuraavina vuosina lämpötilan nousuvauhti laskee. "Regenerointijakson" pituus riippuu käyttöjakson pituudesta. Nämä kaksi ajanjaksoa ovat suunnilleen samat. Tässä tapauksessa maanlämmönvaihtimen toiminta -aika oli kolmekymmentä vuotta, ja "regeneroinnin" ajanjaksoksi arvioidaan myös kolmekymmentä vuotta.

Näin ollen rakennusten lämmitys- ja jäähdytysjärjestelmät, jotka käyttävät maapallon huonolaatuista lämpöä, ovat luotettava energialähde, jota voidaan käyttää kaikkialla. Tätä lähdettä voidaan käyttää riittävän pitkään, ja se voidaan uusia käyttökauden lopussa.

Kirjallisuus

1. Rybach L. Maalämpöpumppujen (GHP) tila ja näkymät Euroopassa ja maailmanlaajuisesti; GHP: n kestävyysnäkökohdat. Maalämpöpumppujen kansainvälinen kurssi, 2002

2. Vasiliev G.P., Krundyshev N.S. Energiatehokas maaseutukoulu Jaroslavlin alueella. AVOK nro 5, 2002

3. Sanner B. Maalämmönlähteet lämpöpumpuille (luokitus, ominaisuudet, edut). 2002

4. Rybach L. Maalämpöpumppujen (GHP) tila ja näkymät Euroopassa ja maailmanlaajuisesti; GHP: n kestävyysnäkökohdat. Maalämpöpumppujen kansainvälinen kurssi, 2002

5. ORKUSTOFNUN -työryhmä, Islanti (2001): Geotermisen energian kestävä tuotanto - ehdotettu määritelmä. IGA News nro. 43, tammi-maaliskuu 2001, 1-2

6. Rybach L., Sanner B. Maalämpöpumppujärjestelmät - eurooppalainen kokemus. GeoHeat- Center Bull. 21/1, 2000

7. Energian säästäminen asuinlämpöpumpuilla kylmässä ilmastossa. Maxi -esite 08. CADDET, 1997

8. Atkinson Schaefer L. Yhden paineen absorptiolämpöpumpun analyysi. Väitöskirja esitetään akateemiselle tiedekunnalle. Georgian teknologiainstituutti, 2000

9.Morley T.Käänteinen lämpömoottori rakennusten lämmityksen välineenä, The Engineer 133: 1922

10. Fearon J. Lämpöpumpun historia ja kehitys, jäähdytys ja ilmastointi. 1978

11. Vasiliev G.P. Energiatehokkaat rakennukset, joissa on lämpöpumppulämmitys. Lehti "Asuminen ja kunnalliset palvelut", nro 12, 2002

12. Ohjeita toissijaisia ​​energiavaroja ja muita kuin perinteisiä uusiutuvia energialähteitä käyttävien lämpöpumppujen käyttöön. Moskomarkhitektura. Osavaltion yksikkö "NIATs", 2001

13. Energiatehokas asuinrakennus Moskovassa. AVOK nro 4, 1999

14. Vasiliev G.P. Energiatehokas kokeellinen asuinrakennus Nikulino-2-mikroalueella. AVOK nro 4, 2002

Kuvaus:

Toisin kuin suuren potentiaalin geotermisen lämmön (hydrotermisten resurssien) "suora" käyttö, maapallon pintakerrosten maaperän käyttö matalapotentiaalisen lämpöenergian lähteenä maalämpöpumpun lämmönjakelujärjestelmissä (GTST) on mahdollista melkein kaikkialla. Tällä hetkellä se on yksi maailman dynaamisimmin kehittyvistä alueista ei-perinteisten uusiutuvien energialähteiden käytössä.

Maalämpöpumpun lämmönjakelujärjestelmät ja niiden käytön tehokkuus Venäjän ilmasto -olosuhteissa

G. P. Vasiliev, OJSC "INSOLAR-INVEST" tieteellinen valvoja

Toisin kuin suuren potentiaalin geotermisen lämmön (hydrotermisten resurssien) "suora" käyttö, maapallon pintakerrosten maaperän käyttö matalapotentiaalisen lämpöenergian lähteenä maalämpöpumpun lämmönjakelujärjestelmissä (GTST) on mahdollista melkein kaikkialla. Tällä hetkellä se on yksi maailman dynaamisimmin kehittyvistä alueista ei-perinteisten uusiutuvien energialähteiden käytössä.

Maapallon pintakerrosten maaperä on itse asiassa rajoittamattoman tehon lämmönvaraaja. Maaperän lämpötila muodostuu kahden tärkeimmän tekijän - pinnalle putoavan auringon säteilyn ja maan sisäisen radiogeenisen lämmön - vaikutuksesta. Auringon säteilyn voimakkuuden ja ulkoilman lämpötilan kausittaiset ja päivittäiset muutokset aiheuttavat vaihtelua maaperän ylempien kerrosten lämpötilassa. Ulkoilman lämpötilan päivittäisten vaihtelujen tunkeutumissyvyys ja tulevan auringon säteilyn voimakkuus vaihtelevat maaperän ja ilmasto -olosuhteiden mukaan useista kymmenistä senttimetreistä puolitoista metriin. Ulkoilman lämpötilan kausivaihtelujen tunkeutumissyvyys ja tulevan auringon säteilyn voimakkuus eivät ylitä pääsääntöisesti 15-20 m.

Tämän syvyyden ("neutraali vyöhyke") alapuolella sijaitsevien maaperäkerrosten lämpöjärjestelmä muodostuu maapallon suolista tulevan lämpöenergian vaikutuksesta eikä käytännössä ole riippuvainen kausiluonteisista ja vielä enemmän päivittäisistä muutoksista ulkoinen ilmasto (kuva 1). Syvyyden kasvaessa myös maan lämpötila nousee geotermisen gradientin mukaisesti (noin 3 ° C jokaista 100 metriä kohti). Maan sisäpuolelta tulevan radiogeenisen lämmön virran suuruus vaihtelee eri alueilla. Yleensä tämä arvo on 0,05–0,12 W / m 2.

GTST: n käytön aikana maaperän massa, joka sijaitsee maaperän lämmönvaihtimen putkirekisterin lämpövaikutusvyöhykkeellä pienipotentiaalisen maaperän lämmön keräämisjärjestelmän (lämmönkeräysjärjestelmä) kausivaihteluiden vuoksi ulkoisen ilmaston parametrit sekä lämmönkeruujärjestelmään kohdistuvien käyttökuormien vaikutuksesta yleensä jäädytetään ja sulatetaan toistuvasti. Tässä tapauksessa tietysti muuttuu maaperän huokosissa ja yleensä sekä neste- että kiinteässä ja kaasumaisessa faasissa samanaikaisesti oleva kosteuden kokonaistila. Samaan aikaan kapillaarihuokoisissa järjestelmissä, jotka ovat lämmönkeruujärjestelmän maaperää, kosteuden läsnäolo huokostilassa vaikuttaa merkittävästi lämmön etenemiseen. Tämän vaikutuksen oikea huomioon ottaminen liittyy nykyään merkittäviin vaikeuksiin, jotka liittyvät ensisijaisesti siihen, että ei ole selkeitä käsityksiä siitä, millainen kiinteiden, nestemäisten ja kaasumaisten kosteusfaasien jakautuminen on tietyllä järjestelmän rakenteella. Maaperän paksuuden lämpötilagradientin läsnä ollessa vesihöyrymolekyylit siirtyvät paikkoihin, joiden lämpötilapotentiaali on alentunut, mutta samalla painovoimien vaikutuksesta nesteessä tapahtuu vastakkainen kosteusvirtaus vaihe. Lisäksi maaperän ylempien kerrosten lämpötilajärjestelmään vaikuttavat ilmakehän sateiden kosteus sekä pohjavesi.

Maaperän lämmönkeruujärjestelmien lämpötilan ominaispiirreinä suunnittelun kohteena tulisi olla myös tällaisia ​​prosesseja kuvaavien matemaattisten mallien ns. "Informatiivinen epävarmuus" tai toisin sanoen luotettavan tiedon puute vaikutuksesta ympäristöjärjestelmä (ilmakehä ja lämmönkeruujärjestelmän maaperän lämmönvaihtimen lämpövaikutusalueen ulkopuolella) ja niiden lähentämisen äärimmäinen monimutkaisuus. Jos ulkolämpöjärjestelmään kohdistuvien vaikutusten lähentäminen, vaikkakin monimutkaisia, voidaan silti toteuttaa tietyllä "tietokoneaikaa" käyttävällä tavalla ja käyttämällä olemassa olevia malleja (esimerkiksi "tyypillinen ilmastovuosi"), ilmakehän vaikutusjärjestelmään (kaste, sumu, sade, lumi jne.) kohdistuvan vaikutuksen mallin kirjanpitokysymys sekä arvio lämmön vaikutuksesta maaperän massaan lämmönkeruujärjestelmän taustalla ja sitä ympäröivät maaperäkerrokset eivät käytännössä ole ratkaistavissa tänään, ja niistä voidaan tehdä erillisiä tutkimuksia. Joten esimerkiksi tiedon puute pohjaveden suodatusvirtojen muodostumisprosesseista, niiden nopeusjärjestelmästä sekä mahdottomuus saada luotettavaa tietoa maaperän lämpö- ja kosteusjärjestelmästä, joka sijaitsee maaperän lämpövaikutusalueen alapuolella Maalämmönvaihdin monimutkaistaa merkittävästi tehtävää rakentaa oikea matemaattinen malli matalan potentiaalin lämpöä keräävän järjestelmän lämpötilasta.

GTST: n suunnittelussa esiintyvien kuvattujen vaikeuksien voittamiseksi luotiin ja käytännössä testattu menetelmä maaperän lämmönkeräysjärjestelmien lämpötilan matemaattiseksi mallintamiseksi ja menetelmä kosteuden vaihesiirtymien huomioon ottamiseksi maaperän huokostilassa lämmönkeruujärjestelmien massiivi voidaan suositella.

Menetelmän ydin on ottaa huomioon kahden tehtävän ero matemaattista mallia rakennettaessa: "perus" ongelma, joka kuvaa maaperän lämpötilaa sen luonnollisessa tilassa (ilman lämmönkeräysjärjestelmän maaperän lämmönvaihtimen vaikutusta) , ja ratkaistava ongelma, joka kuvaa maaperän lämpötilaa jäähdytyselementtien (lähteiden) avulla. Tämän seurauksena menetelmä mahdollistaa ratkaisun saamisen tiettyyn uuteen toimintoon liittyen, joka on riippuvainen jäähdytyselementtien vaikutuksesta maaperän luonnolliseen lämpötilaan ja yhtäläisestä lämpötilaerosta sen maaperän välillä luonnollinen tila ja maaperä, jossa on viemärit (lämmönlähteet) - lämmönkeruujärjestelmän maaperän lämmön varastointiyksikön kanssa. Tämän menetelmän käyttö matalan potentiaalin maaperän lämmön keräämiseen tarkoitettujen järjestelmien lämpötilan matemaattisten mallien rakentamisessa mahdollisti paitsi ongelmien ohittamisen, jotka liittyvät lämmönkeruujärjestelmän ulkoisten vaikutusten arviointiin, mutta myös malleissa meteorologisten asemien kokeellisesti saadut tiedot maaperän luonnollisesta lämpötilasta. Tämä mahdollistaa osittain koko tekijöiden huomioon ottamisen (kuten pohjaveden läsnäolo, niiden nopeus ja lämpötilat, maaperän rakenteen ja sijainnin, maapallon "lämpö" taustan, ilmakehän sademäärän, vaihemuutokset) kosteus huokostilassa ja paljon muuta), jotka vaikuttavat merkittävästi lämmönkeruujärjestelmän lämpötilan muodostumiseen ja joiden yhteinen kirjanpito ongelman tiukassa muotoilussa on käytännössä mahdotonta.

Menetelmä GTST: n suunnittelussa maaperän massiivin huokostilan kosteuden vaihesiirtymien huomioon ottamiseksi perustuu uuteen käsitykseen maaperän "vastaavasta" lämmönjohtavuudesta, joka määritetään korvaamalla maaperän ongelma maaperän sylinterin lämpöjärjestelmä, joka on jäätynyt maaperän lämmönvaihtimen putkien ympärille "vastaavalla" lähes staattisella ongelmalla, jossa on lähellä lämpötila-kenttä ja samat rajaolosuhteet, mutta eri "vastaava" lämmönjohtavuus.

Tärkein rakennusten maalämpöjärjestelmien suunnittelussa ratkaistu tehtävä on yksityiskohtainen arviointi rakennusalueen ilmaston energiakyvystä ja tämän perusteella johtopäätöksen tekeminen yhden tai toisen GTST: n käytön tehokkuudesta ja toteutettavuudesta piiriratkaisu. Nykyisissä sääntelyasiakirjoissa annetut ilmasto -parametrien lasketut arvot eivät anna täydellistä ominaisuutta ulkoilmasta, sen vaihtelevuudesta kuukausittain sekä tietyistä vuoden ajanjaksoista - lämmityskausi, ylikuumenemisaika jne. Siksi päätettäessä geotermisen lämmön lämpötilapotentiaalista, arvioitaessa sen mahdollisuutta yhdistyä muihin alhaisen potentiaalin luonnollisiin lämmönlähteisiin, arvioitaessa niiden (lähteiden) lämpötilatasoa vuosittaisessa jaksossa, on tarpeen hankkia täydellisempiä ilmastotietoja, kun otetaan huomioon esimerkiksi Neuvostoliiton ilmaston käsikirjassa (Leningrad: Gidromethioizdat. Issues 1–34).

Tällaisista ilmastotiedoista meidän tapauksessamme on korostettava ensinnäkin:

- tiedot keskimääräisestä kuukausilämpötilasta eri syvyyksissä;

- tiedot auringon säteilyn saapumisesta eri suuntiin.

Pöytä Kuvissa 1–5 esitetään tietoja joidenkin Venäjän kaupunkien kuukausittaisista maan keskilämpötiloista eri syvyyksissä. Pöytä 1 näyttää keskimääräiset kuukausittaiset maaperän lämpötilat 23 Venäjän federaation kaupungissa 1,6 metrin syvyydessä, mikä näyttää järkevintä maaperän lämpötilapotentiaalin ja mahdollisuuden koneistaa vaakasuoran asennuksen kannalta maalämmönvaihtimet.

Taulukoissa esitetyt tiedot maaperän lämpötilan luonnollisesta kulusta 3,2 metrin syvyydessä (eli "työ" -kerroksessa GTS: lle, jossa on maanlämmönvaihtimen vaakasuora järjestely) havainnollistaa selvästi mahdollisuuksia käyttää maaperää matalan potentiaalin lämmönlähde. On selvää, että Venäjän alueella samassa syvyydessä olevien kerrosten lämpötilan vaihteluväli on suhteellisen pieni. Esimerkiksi maaperän vähimmäislämpötila 3,2 metrin syvyydessä Stavropolin pinnasta on 7,4 ° C ja Jakutskissa - (–4,4 ° C); vastaavasti maaperän lämpötilan muutosväli tietyllä syvyydellä on 11,8 astetta. Tämä tosiasia mahdollistaa sen, että voidaan luottaa riittävän yhtenäisen lämpöpumppulaitteen luomiseen, joka soveltuu käytettäväksi käytännössä koko Venäjän alueella.

Kuten esitetyistä taulukoista voidaan nähdä, maaperän luonnolliselle lämpötilajärjestelmälle on tunnusomaista maaperän vähimmäislämpötilojen viive suhteessa vähimmäisilman lämpötilaan. Alin ulkolämpötila havaitaan kaikkialla tammikuussa, maan minimilämpötilat 1,6 metrin syvyydessä Stavropolissa maaliskuussa, Jakutskissa - maaliskuussa, Sotšissa - maaliskuussa, Vladivostokissa - huhtikuussa. . Näin ollen on selvää, että siihen mennessä, kun maan minimilämpötila saavutetaan, lämpöpumpun lämmönsyöttöjärjestelmän kuormitus (rakennuksen lämpöhäviö) pienenee. Tämä hetki avaa varsin vakavia mahdollisuuksia GTST: n asennetun kapasiteetin pienentämiseen (säästää pääomakustannuksia), ja se on otettava huomioon suunnittelussa.

Maalämpöpumppujärjestelmien käytön tehokkuuden arvioimiseksi lämmönjakelussa Venäjän ilmasto -olosuhteissa Venäjän federaation alue kaavoitettiin sen mukaan, kuinka tehokasta on käyttää alhaisen potentiaalin maalämpöä lämmöntoimitukseen. Kaavoitus tehtiin numeeristen kokeiden tulosten perusteella GTST: n toimintatilojen mallintamisesta Venäjän federaation alueen eri alueiden ilmasto -olosuhteissa. Numeerisia kokeita tehtiin esimerkillä hypoteettisesta kaksikerroksisesta mökistä, jonka lämmitetty pinta-ala oli 200 m 2 ja joka oli varustettu maalämpöpumppujärjestelmällä lämmön syöttämiseksi. Kyseisen talon ulkoisilla suojarakenteilla on seuraavat pienemmät lämmönsiirtovastukset:

- ulkoseinät - 3,2 m 2 h ° C / W;

- ikkunat ja ovet - 0,6 m 2 h ° C / W;

- pinnoitteet ja lattiat - 4,2 m 2 h ° C / W.

Numeerisia kokeita suoritettaessa otettiin huomioon seuraavat asiat:

- järjestelmä maaperän lämmön keräämiseksi ja alhainen maalämpöenergian kulutus;

- vaakasuora lämmönkeruujärjestelmä, joka on valmistettu polyeteeniputkista, joiden halkaisija on 0,05 m ja pituus 400 m;

- järjestelmä maaperän lämmön keräämiseksi, jolla on suuri geotermisen energian kulutus;

- pystysuora lämmönkeruujärjestelmä yhdestä lämpökaivosta, jonka halkaisija on 0,16 m ja pituus 40 m.

Tutkimukset ovat osoittaneet, että maaperän lämpöenergian kulutus lämmityskauden loppuun mennessä aiheuttaa maaperän lämpötilan laskun lämmönkeruujärjestelmän putkirekisterin lähellä, mikä useimmissa maaperässä ja ilmasto -olosuhteissa Venäjän federaation alueella ei ole aikaa kompensoida vuoden kesäkaudella, ja seuraavan lämmityskauden alkaessa maaperän lämpötila laskee. Lämpöenergian kulutus seuraavan lämmityskauden aikana johtaa maan lämpötilan laskuun entisestään, ja kolmannen lämmityskauden alussa sen lämpötilapotentiaali on vieläkin erilainen kuin luonnollinen. Ja niin edelleen. Toiminta, lämmönkeruujärjestelmän maaperän massiivisen lämpöenergian pitkäaikainen kulutus liittyy lämpötilan säännöllisiin muutoksiin. Venäjän federaation alueen kaavoituksessa oli siis otettava huomioon lämmönkeräysjärjestelmän pitkäaikaisesta toiminnasta johtuva maaperän lämpötilan lasku ja käytettävä odotettavissa olevia maaperän lämpötiloja GTST: n viides toimintavuosi maaperän massan lämpötilojen laskettuina parametreina. Kun otetaan huomioon tämä seikka, suorittaessaan Venäjän federaation alueen kaavoitusta GTST -sovelluksen tehokkuuden kannalta keskimääräinen lämmönmuutoskerroin K p tr valittiin maalämpöpumpun lämmönsyöttöjärjestelmän tehokkuuden kriteeriksi viides käyttövuosi, joka on GTST: n tuottaman hyödyllisen lämpöenergian suhde sen taajuusmuuttajaan käytettyyn energiaan ja määritetään ihanteelliselle termodynaamiselle Carnot -syklille seuraavasti:

K tr = T noin / (T noin - T u), (1)

jossa T noin - lämmitys- tai lämmitysjärjestelmään siirretyn lämmön lämpötilapotentiaali, K;

T ja on lämmönlähteen lämpötilapotentiaali, K.

Lämpöpumpun lämmönsyöttöjärjestelmän muunnoskerroin Ktr on kuluttajan lämmitysjärjestelmään poistetun hyödyllisen lämmön suhde GTST: n toimintaan käytettyyn energiaan ja on numeerisesti yhtä suuri kuin lämpötiloissa T vastaanotetun hyödyllisen lämmön määrä o ja T ja GTST: n taajuusmuuttajaan käytettyä energiayksikköä kohti ... Todellinen muunnossuhde eroaa kaavassa (1) kuvatusta ihanteellisesta kertoimen h arvolla, joka ottaa huomioon GTST: n termodynaamisen täydellisyyden asteen ja peruuttamattomat energiahäviöt syklin aikana.

Numeeriset kokeet suoritettiin INSOLAR-INVEST-ohjelmassa luotua ohjelmaa käyttäen, joka varmistaa lämmönkeruujärjestelmän optimaalisten parametrien määrittämisen rakennusalueen ilmasto-olosuhteiden, rakennuksen lämpösuojaominaisuuksien ja käyttöominaisuuksien mukaan lämpöpumppulaitteet, kiertovesipumput, lämmitysjärjestelmän lämmityslaitteet sekä niiden tilat. Ohjelma perustuu aiemmin kuvattuun menetelmään rakentaa matemaattisia malleja matalan potentiaalin maaperän lämmön keräämiseen tarkoitettujen järjestelmien lämpöjärjestelmästä, mikä mahdollisti ohittaa vaikeudet, jotka liittyvät mallien informatiiviseen epävarmuuteen ja ulkoisten vaikutusten arviointiin. käyttää ohjelmassa kokeellisesti saatuja tietoja maaperän luonnollisesta lämpötilasta, mikä mahdollistaa osittain koko tekijöiden (kuten pohjaveden läsnäolon, niiden nopeuden ja lämpötilan, maaperän rakenteen ja sijainnin) huomioon ottamisen kerrokset, maapallon "lämpö" -tausta, sateet, kosteuden vaihemuutokset huokostilassa ja paljon muuta), jotka vaikuttavat merkittävästi järjestelmän lämmönkeräyksen lämpötilan muodostumiseen, ja joiden yhteinen kirjanpito tiukasti ongelman muotoilu on käytännössä mahdotonta nykyään. Ratkaisuna "perusongelmaan" käytimme Neuvostoliiton ilmastokäsikirjan tietoja (Leningrad: Gidromethioizdat. Numero 1–34).

Ohjelma mahdollistaa itse asiassa GTST-kokoonpanon moniparametrisen optimoinnin ongelman ratkaisemisen tietylle rakennus- ja rakennusalueelle. Tässä tapauksessa optimointitehtävän kohdefunktio on GTST: n toiminnan vuotuiset vähimmäiskustannukset ja optimointikriteerit ovat maanlämmönvaihtimen putkien säde, sen (lämmönvaihtimen) pituus ja syvyys.

Tulokset numeerisista kokeista ja Venäjän alueen vyöhykkeellisestä käytöstä suhteessa matalan potentiaalin geotermisen lämmön käytön tehokkuuteen rakennusten lämmittämiseksi on esitetty graafisesti kuviossa. 2-9.

Kuviossa 1 Kuvio 2 esittää vaakasuuntaisen lämmönkeruujärjestelmän sisältävien maalämpöpumpun lämmönsyöttöjärjestelmien muunnoskertoimen arvot ja isoliinit. 3 - GTST: lle, jossa on pystysuora lämmönkeruujärjestelmä. Kuten kuvista näkyy, vaaka -lämmönkeruujärjestelmien Kp tr 4,24 ja pystysuuntaisten järjestelmien 4,14 enimmäisarvoja voidaan odottaa Venäjän alueen eteläpuolella, ja vähimmäisarvot ovat vastaavasti 2,87 ja 2,73 pohjoisessa, Uelenissa. Keski -Venäjällä K ptr -arvot horisontaalisissa lämmönkeräysjärjestelmissä ovat välillä 3,4–3,6 ja pystysuorissa järjestelmissä 3,2–3,4. Riittävän korkeat Кррт -arvot (3,2–3,5) Kaukoidän alueilla, alueet, joilla on perinteisesti vaikeat polttoaineen toimitusolosuhteet, houkuttelevat itseään. Ilmeisesti Kauko -itä on GTST: n ensisijaisen täytäntöönpanon alue.

Kuviossa 1 4 esittää "vaakasuoran" GTST + PD: n (huippusuljin) taajuusmuuttajan vuosittaisen energiankulutuksen arvot ja isoliinit, mukaan lukien lämmityksen, ilmanvaihdon ja käyttöveden energiankulutus, vähennettynä 1 m 2: een lämmitetystä alueesta, ja kuviossa 5 - GTST: lle, jossa on pystysuora lämmönkeruujärjestelmä. Kuten kuvista voidaan nähdä, vaakasuoran GTST -moottorin vuotuinen ominaisenergiankulutus, joka on vähennetty 1 m2: n lämmitetylle rakennusalueelle, vaihtelee 28,8 kWh / (vuosi m2) Etelä -Venäjällä 241 kWh / (vuosi m2) ) Pyhässä Jakutskissa ja pystysuorassa GTST: ssä 28,7 kWh / / (vuosi m2) etelässä ja 248 kWh / / (vuosi m2) Jakutskissa. Jos kerrotaan GTST: n taajuusmuuttajan vuotuisen ominaisenergiankulutuksen arvo, joka esitetään luvuilla tietylle alueelle, tämän alueen arvolla K r tr, vähennettynä yhdellä, saamme GTST: n säästämän energian 1 m 2 lämmitettyä aluetta vuodessa. Esimerkiksi Moskovan vertikaalisen GTST: n osalta tämä arvo on 189,2 kWh 1 m 2: sta vuodessa. Vertailun vuoksi voimme mainita energian ominaiskulutuksen arvot, jotka on vahvistettu Moskovan standardeilla energiansäästöä varten MGSN 2,01–99 pienkasvuisille rakennuksille 130 ja monikerroksisille rakennuksille 95 kWh / (vuosi m 2). Samaan aikaan standardoidut MGSN 2,01–99 -energiakustannukset sisältävät vain lämmitykseen ja ilmanvaihtoon liittyvät energiakustannukset, meidän tapauksessamme myös käyttöveden energiakustannukset sisältyvät energiakustannuksiin. Tosiasia on, että nykyisissä standardeissa olemassa oleva lähestymistapa rakennuksen käytön energiakustannusten arviointiin jakaa erillisiin eriin rakennuksen lämmitykseen ja ilmanvaihtoon liittyvät energiakustannukset sekä sen käyttövesihuollon energiakustannukset. Samaan aikaan käyttöveden energiankulutus ei ole standardoitu. Tämä lähestymistapa ei vaikuta oikealta, koska käyttöveden energiakustannukset ovat usein verrannollisia lämmitykseen ja ilmanvaihtoon liittyvien energiakustannusten kanssa.

Kuviossa 1 Kuvio 6 esittää huippusulkimen (PD) lämpötehon ja vaakasuoran GTSS: n asennetun sähkötehon järkevän suhteen arvot ja isoliinit yksikön murto -osina, ja kuviossa 2. 7 - GTST: lle, jossa on pystysuora lämmönkeruujärjestelmä. Huippusulkimen lämpötehon ja GTST: n asennetun sähkötehon (ilman PD: tä) järkevän suhteen kriteeri oli GTST + PD -taajuusmuuttajan vuotuinen vähimmäiskulut. Kuten kuvista voidaan nähdä, lämpö -DP: n ja sähköisen GTST: n (ilman DP: tä) kapasiteetin järkevä suhde vaihtelee 0: sta Etelä -Venäjällä 2,88: aan - vaakasuorassa GTST: ssä ja 2,92 - pystysuorissa järjestelmissä Jakutskissa. Venäjän federaation alueen keskusvyöhykkeellä GTST + PD: n sulkimen lämpötehon ja asennetun sähkötehon järkevä suhde on välillä 1,1–1,3 sekä vaaka- että pystysuorassa GTST: ssä. Tässä vaiheessa sinun on asuttava tarkemmin. Tosiasia on, että esimerkiksi Venäjän keskusvyöhykkeen sähkölämmityksen korvaamisen yhteydessä meillä on itse asiassa mahdollisuus pienentää lämmitettyyn rakennukseen asennettujen sähkölaitteiden kapasiteettia 35-40% ja siten vähentää sähkötehoa pyysi RAO UES: ltä, joka nykyään "maksaa" Noin 50 tuhatta ruplaa. taloon asennetulle 1 kW: n sähköteholle. Joten esimerkiksi mökissä, jonka arvioitu lämpöhäviö kylmimpänä viiden päivän aikana on 15 kW, säästämme 6 kW asennettua sähkötehoa ja vastaavasti noin 300 tuhatta ruplaa. tai 11,5 tuhatta Yhdysvaltain dollaria. Tämä luku on käytännössä sama kuin tällaisen lämpökapasiteetin GTST: n hinta.

Jos siis otamme oikein huomioon kaikki kustannukset, jotka liittyvät rakennuksen liittämiseen keskitettyyn virtalähteeseen, käy ilmi, että nykyisten sähkön tariffien ja Venäjän federaation keskusvyöhykkeen keskitettyihin sähköverkkoihin liittymisen kanssa kertaluonteinen kustannus, GTST osoittautuu kannattavammaksi kuin sähkölämmitys, puhumattakaan 60 % energiansäästöstä.

Kuviossa 1 Kuvio 8 esittää vaakasuoran GTST + PD -järjestelmän vuotuisen kokonaiskulutuksen huippuarvojen (PD) aikana vuoden aikana tuottaman lämpöenergian ominaispainon arvot ja isoliinit prosentteina, ja kuviossa 1. 9 - GTST: lle, jossa on pystysuora lämmönkeruujärjestelmä. Kuten kuvista näkyy, horisontaalisen GTST + PD -järjestelmän vuotuisen energian kokonaiskulutuksen huippu lähempänä (PD) vuoden aikana tuottaman lämpöenergian ominaispaino vaihtelee 0%: sta Etelä -Venäjällä 38 - 40% Yakutskissa ja Turassa ja pystysuorassa GTST + PD: ssä, vastaavasti 0% etelässä ja 48,5% Jakutskissa. Venäjän keskialueella nämä arvot ovat noin 5–7% sekä pysty- että vaaka -GTST: lle. Tämä on pieni energiankulutus, ja tässä suhteessa sinun on harkittava tarkasti huipun sulkemista. Järkevimmät sekä 1 kW: n tehon että automaation erityiskapasiteetin kannalta ovat huippuelektrodit. Pellettikattiloiden käyttö ansaitsee huomiota.

Lopuksi haluan käsitellä erittäin tärkeää kysymystä: ongelmaa rakennusten lämpösuojan järkevän tason valitsemisesta. Tämä ongelma on nykyään erittäin vakava tehtävä, jonka ratkaisemiseksi tarvitaan vakava numeerinen analyysi, jossa otetaan huomioon sekä ilmastomme erityispiirteet että käytettyjen teknisten laitteiden ominaisuudet, keskitettyjen verkkojen infrastruktuuri ja ekologinen kaupunkien tilanne, joka kirjaimellisesti pahenee silmiemme edessä, ja paljon muuta. On selvää, että nykyään on jo väärin muotoilla rakennuksen kuorelle asetettavia vaatimuksia ottamatta huomioon sen (rakennuksen) suhteita ilmastoon ja energiahuoltojärjestelmään, laitoksiin jne. Tämän seurauksena lähitulevaisuudessa , ratkaisu järkevän lämpösuojan tason valintaongelmaan on mahdollista vain, kun otetaan huomioon rakennus + energian syöttöjärjestelmä + ilmasto + ympäristökompleksi yhtenä ekoenergiajärjestelmänä ja tällä lähestymistavalla kilpailuetut GTST: n kotimarkkinoilla tuskin voi yliarvioida.

Kirjallisuus

1. Sanner B. Maalämmönlähteet lämpöpumpuille (luokitus, ominaisuudet, edut). Maalämpöpumppujen kurssi, 2002.

2. Vasiliev GP Taloudellisesti kohtuullinen rakennusten lämpösuojan taso. - 2002. - Nro 5.

3. Vasiliev GP Rakennusten ja rakenteiden lämmönjakelu käyttämällä maapallon pintakerrosten matalapotentiaalista lämpöenergiaa: Monografia. Kustantaja "Granitsa". - M .: Krasnaja Zvezda, 2006.