Maaperän lämpötila syvyydessä talvikuukausina. Maan käyttö lämpö-kylmävaraajana. Jäähdytys kesällä

Se saattaa tuntua fantasialta, jos se ei olisi totta. Osoittautuu, että Siperian ankarissa olosuhteissa voit saada lämpöä suoraan maasta. Ensimmäiset maalämpöjärjestelmillä varustetut tilat ilmestyivät Tomskin alueelle viime vuonna, ja vaikka ne voivat alentaa lämmön kustannuksia perinteisiin lähteisiin verrattuna noin neljä kertaa, "maanalaista" massakiertoa ei vielä ole. Mutta suuntaus on havaittavissa, ja mikä tärkeintä, se on saamassa vauhtia. Itse asiassa tämä on edullisin vaihtoehtoinen energialähde Siperiaan, jossa esimerkiksi aurinkopaneelit tai tuuligeneraattorit eivät aina pysty näyttämään tehokkuuttaan. Geoterminen energia on itse asiassa aivan jalkojemme alla.

”Maan jäätymissyvyys on 2–2,5 metriä. Maan lämpötila tämän merkin alapuolella pysyy samana sekä talvella että kesällä plus yhdestä plus viiteen celsiusasteeseen. Lämpöpumpun työ perustuu tähän ominaisuuteen, sanoo Tomskin piirihallinnon koulutusosaston energiainsinööri. Roman Alekseenko... - Yhteysputket upotetaan maapinnalle 2,5 metrin syvyyteen, noin puolentoista metrin etäisyydelle toisistaan. Jäähdytysneste kiertää putkijärjestelmässä - etyleeniglykoli. Ulkoinen vaakasuuntainen maapiiri on yhteydessä kylmälaitteeseen, jossa kylmäaine kiertää - freoni, kaasu, jolla on alhainen kiehumispiste. Yli kolmen asteen lämpötilassa tämä kaasu alkaa kiehua, ja kun kompressori puristaa äkillisesti kiehuvaa kaasua, jälkimmäisen lämpötila nousee plus 50 asteeseen. Kuumennettu kaasu johdetaan lämmönvaihtimeen, jossa kiertää tavallista tislattua vettä. Neste lämpenee ja kuljettaa lämpöä koko lattialämmitysjärjestelmään."

Puhdasta fysiikkaa eikä ihmeitä

Lasten päiväkoti, joka on varustettu nykyaikaisella tanskalaisella maalämpöjärjestelmällä, avattiin viime kesänä Turuntaevon kylään Tomskin lähellä. Tomskin yrityksen "Ecoclimate" johtajan mukaan George Granin, energiatehokas järjestelmä mahdollisti lämmöntoimituksen maksun alentamisen useaan kertaan. Kahdeksan vuoden ajan tämä Tomskin yritys on jo varustanut noin kaksisataa kohdetta Venäjän eri alueilla maalämpöjärjestelmillä ja tekee tätä edelleen Tomskin alueella. Joten ei ole epäilystäkään Graninin sanoista. Vuotta ennen päiväkodin avaamista Turuntaevossa "Ecoclimate" varusti toisen päiväkodin "Sunny Bunny" Tomskin mikropiirissä "Zelenye Gorki" maalämpöjärjestelmällä, joka maksoi 13 miljoonaa ruplaa. Itse asiassa tämä oli ensimmäinen tällainen kokemus. Ja hän osoittautui varsin onnistuneeksi.

Vuonna 2012 kirjeenvaihtokeskuksen (EICC-Tomskin alue) Euro Info -ohjelman puitteissa järjestetyn Tanskan vierailun aikana yritys onnistui sopia yhteistyöstä tanskalaisen Danfossin kanssa. Ja nykyään tanskalaiset laitteet auttavat ottamaan lämpöä Tomskin pohjamaasta, ja kuten asiantuntijat sanovat ilman kohtuutonta vaatimattomuutta, se osoittautuu melko tehokkaaksi. Tehokkuuden tärkein indikaattori on taloudellisuus. ”Turuntaevon 250 neliömetrin päiväkotirakennuksen lämmitys maksoi 1,9 miljoonaa ruplaa”, Granin kertoo. "Ja lämmitysmaksu on 20-25 tuhatta ruplaa vuodessa." Tämä summa on vertaansa vailla siihen, mitä päiväkoti maksaisi lämmöstä perinteisillä lähteillä.

Järjestelmä toimi ilman ongelmia Siperian talven olosuhteissa. Lämmityslaitteiden SanPiN-standardien mukaisuudesta tehtiin laskelma, jonka mukaan sen on säilytettävä päiväkotirakennuksen lämpötila vähintään + 19 ° C ulkoilman lämpötilassa -40 ° C. Yhteensä noin neljä miljoonaa ruplaa käytettiin rakennuksen kunnostukseen, korjaukseen ja uudelleen varustukseen. Yhdessä lämpöpumpun kanssa kokonaissumma oli vajaat kuusi miljoonaa. Lämpöpumppujen ansiosta päiväkodin lämmitys on nyt täysin eristetty ja itsenäinen järjestelmä. Perinteisiä lämpöpattereita rakennuksessa ei nyt ole, ja tilojen lämmitys toteutetaan "lämmin lattia" -järjestelmän avulla.

Turuntaevskyn päiväkoti on eristetty, kuten sanotaan, "alkaen" ja "päähän" - rakennus on varustettu lisälämmöneristyksellä: olemassa olevan seinän päälle (kolme tiiliä paksu) asennetaan 10 cm eristyskerros, joka vastaa kaksi tai kolme tiiliä. Eristeen takana on ilmarako, jonka jälkeen metalliverhous. Katto on eristetty samalla tavalla. Rakentajien pääpaino oli "lämmin lattia" - rakennuksen lämmitysjärjestelmä. Useita kerroksia muodostui: betonilattia, 50 mm paksu vaahtomuovikerros, putkijärjestelmä, jossa kuuma vesi ja linoleumi kiertävät. Vaikka veden lämpötila lämmönvaihtimessa voi nousta + 50 ° C:seen, todellisen lattiapäällysteen enimmäislämmitys ei ylitä + 30 ° C. Jokaisen huoneen todellinen lämpötila voidaan säätää manuaalisesti - automaattisten antureiden avulla voit asettaa lattian lämpötilan siten, että päiväkotihuone lämpenee vaadittujen saniteettistandardien mukaisesti.

Turuntajevskin päiväkodin pumpputeho on 40 kW tuotettua lämpöenergiaa, jonka tuottamiseen lämpöpumppu vaatii 10 kW sähkötehoa. Lämpöpumppu tuottaa siis 1 kW kulutetusta sähköenergiasta 4 kW lämpöä. ”Pelkäsimme hieman talvea – emme tienneet, miten lämpöpumput käyttäytyisivät. Mutta jopa kovissa pakkasissa päiväkoti oli tasaisen lämmin - plus 18 - 23 celsiusastetta, sanoo Turuntaevskajan lukion johtaja Jevgeni Belonogov... – Tietysti tässä kannattaa ottaa huomioon, että itse rakennus oli hyvin eristetty. Laitteet ovat vaatimattomia huollossa, ja huolimatta siitä, että tämä on länsimaista kehitystä, se on osoittautunut ankarissa Siperian olosuhteissamme varsin tehokkaaksi."

Tomskin kauppa- ja teollisuuskamarin EICC-Tomskin alue toteutti kattavan luonnonvarojen suojelun kokemusten vaihtoprojektin. Siihen osallistui pieniä ja keskisuuria yrityksiä, jotka kehittävät ja ottavat käyttöön resursseja säästäviä teknologioita. Viime vuoden toukokuussa venäläis-tanskalaisen hankkeen puitteissa tanskalaiset asiantuntijat vierailivat Tomskissa, ja tulos oli, kuten sanotaan, ilmeinen.

Innovaatio tulee kouluun

Uusi koulu Vershininon kylässä Tomskin alueella, maanviljelijän rakentama Mihail Kolpakov, on alueen kolmas kohde, joka käyttää maan lämpöä lämmönlähteenä lämmitykseen ja käyttöveden toimitukseen. Koulu on myös ainutlaatuinen, koska sillä on korkein energiatehokkuusluokka - "A". Lämmitysjärjestelmän on suunnitellut ja lanseerannut sama yritys "Ecoclimate".

”Kun päätimme, millaista lämmitystä koulussa laitamme, meillä oli useita vaihtoehtoja – hiilikattilatalo ja lämpöpumput”, Mikhail Kolpakov kertoo. -Tutkimme Zelenye Gorkin energiatehokkaan päiväkodin kokemusta ja laskimme, että vanhanaikaisen lämmitys hiilellä maksaisi meille yli 1,2 miljoonaa ruplaa talveksi ja tarvitsemme myös kuumaa vettä. Ja lämpöpumpuilla kustannukset ovat noin 170 tuhatta koko vuodelle kuuman veden kanssa."

Järjestelmä tarvitsee vain sähköä lämmön tuottamiseen. 1 kW sähköä kuluttavat koulun lämpöpumput tuottavat noin 7 kW lämpöenergiaa. Lisäksi, toisin kuin hiili ja kaasu, maan lämpö on itsestään uusiutuva energianlähde. Nykyaikaisen lämmitysjärjestelmän asennus koululle maksoi noin 10 miljoonaa ruplaa. Tätä varten koulun alueelle porattiin 28 kaivoa.

"Aritmetiikka on täällä yksinkertaista. Laskimme, että hiilikattilatalon ylläpito, kun otetaan huomioon polttajan palkka ja polttoainekustannukset, maksaisi yli miljoona ruplaa vuodessa, sanoi opetusosaston johtaja. Sergei Efimov... - Kun käytät lämpöpumppuja, joudut maksamaan noin viisitoista tuhatta ruplaa kuukaudessa kaikista resursseista. Lämpöpumppujen käytön kiistatta etuja ovat niiden tehokkuus ja ympäristöystävällisyys. Lämmönsyöttöjärjestelmän avulla voit säädellä lämmön syöttöä ulkoilman mukaan, mikä sulkee pois huoneen niin sanotun "alitulvan" tai "ylikuumenemisen".

Alustavien laskelmien mukaan kalliit tanskalaiset laitteet maksavat itsensä takaisin neljässä-videssä vuodessa. Ecoclimate LLC: n kanssa toimivien Danfoss -lämpöpumppujen käyttöikä on 50 vuotta. Saatuaan tiedon ulkoilman lämpötilasta tietokone määrittää, milloin koulua lämmitetään ja milloin sitä ei voida tehdä. Siksi kysymys lämmityksen päälle- ja poiskytkentäpäivästä katoaa kokonaan. Riippumatta säästä koulun ikkunoiden ulkopuolella, ilmastointi toimii aina lapsille.

”Kun Tanskan kuningaskunnan ylimääräinen ja täysivaltainen suurlähettiläs saapui viime vuonna koko Venäjän kokoukseen ja vieraili päiväkodissamme Zelenye Gorkissa, hän oli iloisesti yllättynyt siitä, että jopa Kööpenhaminassa innovatiivisina pidettyjä tekniikoita on sovellettu ja ne toimivat Tomskin alue, - sanoo Ecoclimate -yrityksen kaupallinen johtaja Aleksanteri Granin.

Yleisesti ottaen paikallisten uusiutuvien energialähteiden käyttö talouden eri sektoreilla, tässä tapauksessa sosiaalialalla, johon kuuluvat koulut ja päiväkodit, on yksi pääsuunnista, joita alueella toteutetaan osana energiansäästöä ja energiaa. tehokkuusohjelma. Uusiutuvan energian kehittämistä tukee aktiivisesti maakuntakuvernööri Sergei Žvachkin... Kolme budjettilaitosta, joissa on maalämpöjärjestelmä, ovat vasta ensimmäisiä askeleita suuren ja lupaavan hankkeen toteuttamisessa.

Zelenye Gorkin päiväkoti palkittiin Skolkovon kilpailussa Venäjän parhaaksi energiatehokkaaksi laitokseksi. Sitten Vershininskaya-koulu ilmestyi maalämpöllä, joka on myös korkein energiatehokkuusluokka. Seuraava kohde, joka ei ole vähemmän merkittävä Tomskin alueelle, on päiväkoti Turuntaevossa. Tänä vuonna Gazkhimstroyinvest ja Stroygarant ovat jo alkaneet rakentaa päiväkoteja 80 ja 60 lapselle Tomskin alueen, Kopylovon ja Kandinkan kylissä. Molemmat uudet tilat lämmitetään maalämpöjärjestelmillä - lämpöpumpuilla. Yhteensä aluehallinto aikoo tänä vuonna käyttää lähes 205 miljoonaa ruplaa uusien päiväkotien rakentamiseen ja olemassa olevien korjaamiseen. Takhtamyshevon kylän päiväkodin rakennuksen jälleenrakentaminen ja uudelleen varustaminen on tehtävä. Tässä rakennuksessa lämmitys toteutetaan myös lämpöpumppujen avulla, koska järjestelmä on onnistunut osoittautumaan hyvin.

Maan sisällä oleva lämpötila on useimmiten melko subjektiivinen indikaattori, koska tarkkaa lämpötilaa voidaan kutsua vain saavutettavissa olevissa paikoissa, esimerkiksi Kuolan kaivossa (syvyys 12 km). Mutta tämä paikka kuuluu maankuoren ulompaan osaan.

Lämpötilat maan eri syvyyksissä

Kuten tutkijat ovat havainneet, lämpötila nousee 3 astetta joka 100 metrin syvyydessä maan sisään. Tämä luku on vakio kaikilla mantereilla ja osilla maapalloa. Tällainen lämpötilan nousu tapahtuu maankuoren yläosassa, noin ensimmäiset 20 kilometriä, sitten lämpötilan nousu hidastuu.

Suurin nousu kirjattiin Yhdysvalloissa, joissa lämpötila nousi 150 astetta 1000 metriä sisämaassa. Hitain kasvu oli Etelä-Afrikassa, jossa lämpömittari nousi vain 6 celsiusastetta.

Noin 35-40 kilometrin syvyydessä lämpötila vaihtelee noin 1400 astetta. Vaipan ja ulkoytimen välinen raja 25 - 3000 km:n syvyydessä kuumennetaan 2000 - 3000 astetta. Sisäydin kuumennetaan 4000 asteeseen. Lämpötila maan keskellä on monimutkaisten kokeiden tuloksena saatujen uusimpien tietojen mukaan noin 6 000 astetta. Aurinko voi ylpeillä samasta lämpötilasta pinnallaan.

Maan syvyyksien minimi- ja maksimilämpötilat

Maan sisälämpötilan minimi- ja maksimilämpötilaa laskettaessa vakiolämpötilavyöhykkeen tietoja ei oteta huomioon. Tällä vyöllä lämpötila on vakio ympäri vuoden. Vyö sijaitsee 5 metrin syvyydessä (tropiikissa) ja 30 metrin syvyydessä (korkeilla leveysasteilla).

Maksimilämpötila mitattiin ja tallennettiin noin 6 000 metrin syvyydessä ja se oli 274 celsiusastetta. Maan alin lämpötila mitataan pääasiassa planeettamme pohjoisilla alueilla, joissa lämpömittari näyttää jopa yli 100 metrin syvyydessä pakkasta.

Mistä lämpö tulee ja miten se jakautuu planeetan suolistossa

Maan sisällä oleva lämpö tulee useista lähteistä:

1) Radioaktiivisten alkuaineiden hajoaminen;

2) Maan ytimessä kuumenneen aineen painovoiman erilaistuminen;

3) Vuorovesikitka (Kuun vaikutus Maahan, johon liittyy jälkimmäisen hidastuminen).

Nämä ovat joitain vaihtoehtoja lämmön esiintymiselle maan suolistossa, mutta kysymys täydellisestä luettelosta ja nykyisen oikeellisuudesta on edelleen avoin.

Planeettamme suolistosta tuleva lämpövirta vaihtelee rakenteellisten vyöhykkeiden mukaan. Siksi lämmön jakautumisella paikassa, jossa valtameri, vuoret tai tasangot sijaitsevat, on täysin erilaiset indikaattorit.

Kirill Degtyarev, tutkija, Moskovan valtionyliopisto. M.V. Lomonosov.

Maassamme, jossa on runsaasti hiilivetyjä, geoterminen energia on eksoottinen luonnonvara, joka ei nykytilanteessa todennäköisesti kilpaile öljyn ja kaasun kanssa. Tästä huolimatta tätä vaihtoehtoista energiamuotoa voidaan käyttää lähes kaikkialla ja se on varsin tehokas.

Kuva: Igor Konstantinov.

Maaperän lämpötilan muutos syvyyden mukaan.

Lämpövesien lämpötilan nousu ja niiden isäntä kuivattavat kiviä syvemmin.

Lämpötilan muutos syvyyden mukaan eri alueilla.

Islannin tulivuoren Eyjafjallajokull purkaus on esimerkki rajuista vulkaanisista prosesseista, jotka tapahtuvat aktiivisilla tektonisilla ja vulkaanisilla vyöhykkeillä, joissa voimakas lämpö virtaa maan sisältä.

Geotermisten voimalaitosten asennetut kapasiteetit maailman maittain, MW.

Geotermisten resurssien jakautuminen Venäjän alueella. Asiantuntijoiden mukaan geotermisen energiavarastot ovat useita kertoja suuremmat kuin orgaanisten fossiilisten polttoaineiden. Liiton "Geothermal Energy Society" mukaan.

Geoterminen energia on maan sisäpuolen lämpöä. Sitä tuotetaan syvyyksissä ja se tulee maan pinnalle eri muodoissa ja eri intensiteetillä.

Maaperän ylempien kerrosten lämpötila riippuu pääasiassa ulkoisista (ulkoisista) tekijöistä - auringonvalosta ja ilman lämpötilasta. Kesällä ja päivällä maaperä lämpenee tiettyyn syvyyteen, ja talvella ja yöllä se jäähtyy ilman lämpötilan muutoksen seurauksena ja jonkin verran viiveellä, kasvaen syvyyden myötä. Ilman lämpötilan päivittäisten vaihteluiden vaikutus päättyy syvyydessä muutamista useisiin kymmeniin senttimetreihin. Kausivaihtelut kattavat syvemmät maaperät - jopa kymmeniä metrejä.

Tietyllä syvyydellä - kymmenistä satoihin metriin - maaperän lämpötila pidetään vakiona, joka on sama kuin maan pinnan keskimääräinen vuotuinen ilman lämpötila. Tämä on helppo varmistaa menemällä alas riittävän syvään luolaan.

Kun vuoden keskilämpötila tietyllä alueella on alle nollan, se ilmenee ikiroutana (tarkemmin sanottuna ikiroutana). Itä-Siperiassa ympärivuotisten jäämaiden paksuus eli paksuus on paikoin 200-300 metriä.

Tietystä syvyydestä (kartan jokaiselle pisteelle omansa) Auringon ja ilmakehän toiminta heikkenee niin paljon, että endogeeniset (sisäiset) tekijät tulevat esiin ja maan sisäpuoli lämpenee sisältä, jolloin lämpötila alkaa nousta syvyyden myötä.

Maan syvien kerrosten kuumeneminen liittyy pääasiassa siellä olevien radioaktiivisten alkuaineiden hajoamiseen, vaikka muita lämmönlähteitä kutsutaan myös esimerkiksi fysikaalis-kemiallisiksi, tektonisiksi prosesseiksi maankuoren ja vaipan syvissä kerroksissa. Mutta olipa syy mikä tahansa, kivien ja niihin liittyvien nestemäisten ja kaasumaisten aineiden lämpötila kasvaa syvyyden myötä. Kaivostyöläiset kohtaavat tämän ilmiön - syvissa kaivoksissa on aina kuuma. 1 km:n syvyydessä kolmenkymmenen asteen lämpö on normaalia, ja syvemmällä lämpötila on vielä korkeampi.

Maan sisäpuolen lämpövirtaus, joka saavuttaa maan pinnan, on pieni - sen teho on keskimäärin 0,03-0,05 W / m 2,
tai noin 350 Wh/m 2 vuodessa. Auringosta tulevan lämpövirran ja sen lämmittämän ilman taustaa vasten tämä on huomaamaton arvo: Aurinko antaa jokaiselle maanpinnan neliömetrille vuosittain noin 4000 kWh eli 10 000 kertaa enemmän (tietenkin tämä on keskimäärin valtava leviäminen napa- ja päiväntasaajan leveysasteiden välillä ja riippuen muista ilmasto- ja säätekijöistä).

Lämpövirran merkityksetön merkitys sisätilasta pintaan suurimmalla osalla planeettaa liittyy kallioiden heikkoon lämmönjohtavuuteen ja geologisen rakenteen erityispiirteisiin. Mutta on poikkeuksia - paikkoja, joissa lämpövirta on korkea. Nämä ovat ensinnäkin tektonisten vikojen vyöhykkeet, lisääntynyt seisminen aktiivisuus ja tulivuorenpurkaukset, joilla maan sisäisen energian ulostulo löytää. Tällaisille vyöhykkeille on ominaista litosfäärin lämpöpoikkeamat, jossa maan pinnalle tuleva lämpövirta voi olla useita kertoja ja jopa suuruusluokkaa voimakkaampi kuin "tavallinen". Tulivuorenpurkaukset ja kuumavesilähteet kuljettavat valtavan määrän lämpöä pintaan näillä alueilla.

Juuri nämä alueet ovat suotuisimpia geotermisen energian kehittämiselle. Venäjän alueella nämä ovat ennen kaikkea Kamtšatka, Kuriilisaaret ja Kaukasus.

Samaan aikaan geotermisen energian kehittäminen on mahdollista lähes kaikkialla, koska lämpötilan nousu syvyyden myötä on arjen ilmiö, ja tehtävänä on "poistaa" lämpöä suolistosta, aivan kuten mineraaliraaka-aineita saadaan sieltä.

Keskimäärin lämpötila kohoaa syvyyden myötä 2,5-3 ° C jokaista 100 metriä kohden. Kahden eri syvyydessä sijaitsevan pisteen lämpötilaeron suhdetta niiden väliseen syvyyseroon kutsutaan geotermiseksi gradienttiksi.

Käänteisarvo on geoterminen askel tai syvyysväli, jossa lämpötila nousee 1 °C.

Mitä suurempi gradientti ja vastaavasti matalampi askel, sitä lähempänä maapallon syvyyksien lämpö lähestyy pintaa ja sitä lupaavampi tämä alue on geotermisen energian kehittämiselle.

Eri alueilla, riippuen geologisesta rakenteesta ja muista alueellisista ja paikallisista olosuhteista, lämpötilan nousunopeus syvyyden mukaan voi vaihdella dramaattisesti. Maan mittakaavassa geotermisen gradientin ja portaiden suuruusvaihtelut saavuttavat 25-kertaisen. Esimerkiksi Oregonin osavaltiossa (USA) gradientti on 150 o C kilometriä kohti ja Etelä-Afrikassa 6 o C kilometriä kohti.

Kysymys kuuluu, mikä on lämpötila suurissa syvyyksissä - 5, 10 km tai enemmän? Jos trendi jatkuu, lämpötilan tulisi 10 km syvyydessä olla keskimäärin noin 250-300 o C. Tämän vahvistavat enemmän tai vähemmän suorat havainnot supersyvistä kaivoista, vaikka kuva onkin paljon monimutkaisempi kuin lineaarinen lämpötilan nousu.

Esimerkiksi Itämeren kidekilpiin poratussa Kuolan supersyvässä kaivossa lämpötila muuttuu 3 km:n syvyyteen nopeudella 10 о С / 1 km, jolloin geoterminen gradientti kasvaa 2-2,5 kertaa. 7 km:n syvyydessä mitattiin jo 120 o C lämpötila, 10 km - 180 o C ja 12 km - 220 o C lämpötila.

Toinen esimerkki on Pohjois-Kaspian alueella porattu kaivo, jossa 500 m:n syvyydessä mitattiin 42 o C lämpötilaa, 1,5 km - 70 o C, 2 km - 80 o C, 3 km - 108 o C. .

Oletetaan, että geoterminen gradientti laskee alkaen 20-30 km:n syvyydestä: 100 km:n syvyydessä oletetut lämpötilat ovat noin 1300-1500 o С, 400 km:n syvyydessä - 1600 o С ytimessä Maan pinnasta (syvyys yli 6000 km) - 4000-5000 o.

Jopa 10-12 km syvyydessä lämpötila mitataan porattujen kaivojen kautta; missä niitä ei ole, se määräytyy epäsuorilla merkeillä samalla tavalla kuin suuremmissa syvyyksissä. Tällaisia ​​epäsuoria merkkejä voivat olla seismisten aaltojen kulun luonne tai ulosvirtaavan laavan lämpötila.

Geotermisen energian kannalta tiedot lämpötiloista yli 10 km:n syvyyksissä eivät kuitenkaan ole vielä käytännön kiinnostavia.

Useiden kilometrien syvyyksissä on paljon lämpöä, mutta miten nostaa sitä? Joskus tämän ongelman ratkaisee meille itse luonto luonnollisen lämmönsiirtoaineen avulla - lämmitetyt lämpövedet, jotka tulevat pintaan tai sijaitsevat syvyydessä, joka on meille saatavilla. Joissakin tapauksissa syvyyksissä oleva vesi kuumennetaan höyryn tilaan.

Termille "lämpövedet" ei ole tiukkaa määritelmää. Yleensä ne tarkoittavat kuumaa pohjavettä nestemäisessä tilassa tai höyryn muodossa, mukaan lukien ne, jotka tulevat maan pinnalle ja joiden lämpötila on yli 20 ° C, eli yleensä korkeampi kuin ilman lämpötila.

Pohjaveden, höyryn, höyry-vesi-seosten lämpö on hydrotermistä energiaa. Sen vuoksi sen käyttöön perustuvaa energiaa kutsutaan hydrotermiseksi.

Tilanne on monimutkaisempi tuotettaessa lämpöä suoraan kuivista kivistä - petrotermistä energiaa, varsinkin kun melko korkeat lämpötilat alkavat pääsääntöisesti usean kilometrin syvyydestä.

Venäjän alueella petrotermisen energian potentiaali on sata kertaa suurempi kuin hydrotermisen energian - vastaavasti 3500 ja 35 biljoonaa tonnia polttoainetta. Tämä on aivan luonnollista - maan syvyyksien lämpöä on kaikkialla, ja lämpövesiä löytyy paikallisesti. Lämmön ja sähkön tuottamiseen liittyvien ilmeisten teknisten vaikeuksien vuoksi tällä hetkellä käytetään kuitenkin pääasiassa lämpövesiä.

Vedet, joiden lämpötila on 20-30 - 100 ° C, soveltuvat lämmitykseen, 150 ° C: n ja sitä korkeampiin lämpötiloihin - ja sähkön tuottamiseen geotermisissä voimalaitoksissa.

Yleensä geotermiset resurssit Venäjän alueella vastaavan polttoaineen tai minkä tahansa muun energian mittayksikön tonneina mitattuna ovat noin 10 kertaa suuremmat kuin fossiilisten polttoaineiden varat.

Teoriassa vain geoterminen energia voisi tyydyttää maan energiatarpeet täysin. Käytännössä tällä hetkellä suurimmalla osalla sen aluetta tämä ei ole mahdollista teknisistä ja taloudellisista syistä.

Maailmassa geotermisen energian käyttö yhdistetään useimmiten Islantiin - maahan, joka sijaitsee Keski-Atlantin harjanteen pohjoispäässä, erittäin aktiivisella tektonisella ja vulkaanisella vyöhykkeellä. Luultavasti kaikki muistavat Eyjafjallajökull-tulivuoren voimakkaan purkauksen vuonna 2010.

Tämän geologisen ominaisuuden ansiosta Islannilla on valtavat geotermisen energian varannot, mukaan lukien kuumia lähteitä, jotka tulevat maan pinnalle ja jopa purskahtavat geysirien muodossa.

Islannissa yli 60% kaikesta kulutetusta energiasta otetaan tällä hetkellä maapallolta. Geotermiset lähteet mukaan lukien tuottavat 90 % lämmityksestä ja 30 % sähköntuotannosta. Lisätään, että muu osa maan sähköstä tuotetaan vesivoimalaitoksilla eli myös uusiutuvalla energialähteellä, minkä ansiosta Islanti näyttää eräänlaiselta globaalilta ympäristöstandardilta.

Geotermisen energian "kesyttäminen" 1900-luvulla auttoi Islantia huomattavasti taloudellisesti. Viime vuosisadan puoliväliin asti se oli erittäin köyhä maa, nyt se on maailman ensimmäisellä sijalla asennetun kapasiteetin ja geotermisen energian tuotannossa asukasta kohden ja on kymmenen parhaan joukossa geotermisen asennetun kapasiteetin absoluuttisella arvolla mitattuna. voimalaitokset. Sen väkiluku on kuitenkin vain 300 tuhatta ihmistä, mikä yksinkertaistaa siirtymistä ympäristöystävällisiin energialähteisiin: sen tarve on yleensä pieni.

Islannin lisäksi suuri osuus geotermisestä energiasta sähköntuotannon kokonaistaseesta saadaan Uudessa-Seelannissa ja Kaakkois-Aasian saarivaltioissa (Filippiinit ja Indonesia), Keski-Amerikan ja Itä-Afrikan maissa, joiden alue on myös jolle on ominaista korkea seisminen ja tulivuoren aktiivisuus. Geoterminen energia edistää näiden maiden nykyistä kehitystasoa ja tarpeita merkittävällä tavalla sosiaalis-taloudellisessa kehityksessä.

(Loppu seuraa.)

Kuvaus:

Toisin kuin suuripotentiaalisen geotermisen lämmön (hydrotermisten resurssien) "suorassa" käytössä, maapallon pintakerrosten maaperän käyttö matalapotentiaalisen lämpöenergian lähteenä geotermisissä lämpöpumppujen lämmönsyöttöjärjestelmissä (GTST) on mahdollista lähes kaikkialla. Tällä hetkellä se on yksi dynaamisesti kehittyvistä ei-perinteisten uusiutuvien energialähteiden käytön alueista maailmassa.

Maalämpöpumpun lämmönsyöttöjärjestelmät ja niiden käytön tehokkuus Venäjän ilmasto-olosuhteissa

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

Toisin kuin suuripotentiaalisen geotermisen lämmön (hydrotermisten resurssien) "suorassa" käytössä, maapallon pintakerrosten maaperän käyttö matalapotentiaalisen lämpöenergian lähteenä geotermisissä lämpöpumppujen lämmönsyöttöjärjestelmissä (GTST) on mahdollista lähes kaikkialla. Tällä hetkellä se on yksi maailman dynaamisimmin kehittyvistä alueista ei-perinteisten uusiutuvien energialähteiden käytössä.

Maan pintakerrosten maaperä on itse asiassa rajattoman tehon lämmönvaraaja. Maaperän lämpöjärjestelmä muodostuu kahden päätekijän - pinnalle putoavan auringonsäteilyn ja maan sisältä tulevan radiogeenisen lämmön vuon - vaikutuksesta. Auringon säteilyn voimakkuuden ja ulkoilman lämpötilan kausittaiset ja päivittäiset muutokset aiheuttavat vaihteluita maaperän ylempien kerrosten lämpötilassa. Päivittäisten ulkoilman lämpötilan vaihteluiden tunkeutumissyvyys ja tulevan auringon säteilyn voimakkuus vaihtelevat maaperä- ja ilmasto-olosuhteista riippuen useista kymmenistä senttimetreistä puoleentoista metriin. Ulkoilman lämpötilan kausivaihteluiden tunkeutumissyvyys ja tulevan auringonsäteilyn voimakkuus eivät pääsääntöisesti ylitä 15–20 metriä.

Tämän syvyyden alapuolella ("neutraali vyöhyke") olevien maaperäkerrosten lämpöjärjestelmä muodostuu maapallon suolistosta tulevan lämpöenergian vaikutuksesta, eikä se käytännössä riipu vuodenaikojen ja varsinkin päivittäisistä parametrien muutoksista. ulkoinen ilmasto (kuva 1). Syvyyden kasvaessa myös maan lämpötila nousee geotermisen gradientin mukaisesti (noin 3 °C jokaista 100 metriä kohden). Maan sisältä tulevan radiogeenisen lämmön virtauksen suuruus vaihtelee eri alueilla. Yleensä tämä arvo on 0,05–0,12 W / m 2.

GTST:n käytön aikana maaperän massa, joka sijaitsee matalapotentiaalisen maalämpöjärjestelmän (lämmönkeräysjärjestelmä) maaperän lämmönvaihtimen putkirekisterin termisen vaikutuksen vyöhykkeellä, johtuen kausivaihteluista. Ulkoisen ilmaston parametrit sekä lämmönkeruujärjestelmän käyttökuormitukset altistuvat yleensä toistuville jäätymiselle ja sulattamiselle. Tässä tapauksessa tapahtuu luonnollisesti muutos kosteuden aggregoituneessa tilassa, joka sisältyy maaperän huokosten ja yleensä sekä neste- että kiinteä- ja kaasufaasiin samanaikaisesti. Samaan aikaan kapillaari-huokoisissa järjestelmissä, jotka ovat lämmönkeruujärjestelmän maaperää, kosteuden läsnäolo huokostilassa vaikuttaa merkittävästi lämmön etenemiseen. Tämän vaikutuksen oikea huomioon ottaminen nykyään liittyy merkittäviin vaikeuksiin, jotka liittyvät ensisijaisesti selkeiden käsitysten puutteeseen kosteuden kiinteiden, nestemäisten ja kaasumaisten faasien jakautumisen luonteesta tietyssä järjestelmän rakenteessa. Lämpötilagradientin läsnä ollessa maaperän massan paksuudessa vesihöyrymolekyylit siirtyvät paikkoihin, joissa lämpötilapotentiaali on alentunut, mutta samalla gravitaatiovoimien vaikutuksesta nesteessä tapahtuu päinvastainen kosteusvirtaus. vaihe. Lisäksi maaperän ylempien kerrosten lämpötilajärjestelmään vaikuttavat ilmakehän sateen kosteus sekä pohjavesi.

Maaperän lämmönkeruujärjestelmien lämpötilan ominaispiirteisiin suunnittelukohteena tulisi kuulua myös tällaisia ​​prosesseja kuvaavien matemaattisten mallien ns. "informatiivinen epävarmuus" tai toisin sanoen luotettavan tiedon puute vaikutuksista maaperään. ympäristöjärjestelmä (ilmakehä ja lämmönkeruujärjestelmän maaperän lämmönvaihtimen lämpövaikutusalueen ulkopuolella) ja niiden lähentämisen äärimmäinen monimutkaisuus. Itse asiassa, jos ulkoilmastojärjestelmään kohdistuvien vaikutusten likimääräinen arviointi, vaikka se onkin monimutkainen, voidaan silti toteuttaa tietyllä "tietokoneajan" kulutuksella ja olemassa olevia malleja käyttämällä (esimerkiksi "tyypillinen ilmastovuosi"), ongelman, jossa otetaan huomioon vaikutukset järjestelmään ilmakehän vaikutuksista (kaste, sumu, sade, lumi jne.), sekä lämpövaikutuksen likimääräisyys maaperän massaan lämmönkeräysjärjestelmän taustalla ja sitä ympäröivässä ympäristössä Maaperän kerrokset eivät käytännössä ole ratkaistavissa nykyään ja voisivat olla erillisten tutkimusten kohteena. Joten esimerkiksi tietämättömyys pohjaveden suodatusvirtausten muodostumisprosesseista, niiden nopeusjärjestelmästä sekä mahdottomuus saada luotettavaa tietoa maaperän lämpövaikutuksen vyöhykkeen alapuolella olevien maakerrosten lämpö- ja kosteustilasta. maalämmönvaihdin, vaikeuttaa merkittävästi oikean matemaattisen mallin rakentamista matalapotentiaalisen lämmön talteenottojärjestelmän lämpötilanteesta.

Selvitettyjen GTST:n suunnittelussa ilmenevien vaikeuksien voittamiseksi on luotu ja käytännössä testattu menetelmä maaperän lämmönkeruujärjestelmien lämpötilan matemaattiseen mallinnukseen ja menetelmä kosteuden faasimuutosten laskemiseksi maaperän huokostilassa. GTST: n suunnittelun aikana voidaan suositella lämmönkeruujärjestelmien massiiveja.

Menetelmän ydin on ottaa huomioon kahden ongelman ero matemaattista mallia rakennettaessa: "perus"-tehtävä, joka kuvaa maaperän lämpötilaa sen luonnollisessa tilassa (ilman lämmönkeruujärjestelmän maaperän lämmönvaihtimen vaikutusta). , ja ratkaistava ongelma, joka kuvaa maaperän massan lämpötilaa jäähdytyselementeillä (lähteillä). Tämän seurauksena menetelmällä on mahdollista saada ratkaisu johonkin uuteen funktioon, joka on funktio jäähdytyselementtien vaikutuksesta maaperän luonnolliseen lämpöjärjestelmään ja maaperän tasaisen lämpötilaeron välillä sen luonnollisessa tilassa. tila ja maaperä, jossa on viemärit (lämmönlähteet) - lämmönkeruujärjestelmän maaperän lämmönvaihtimella. Tämän menetelmän käyttö matemaattisten mallien rakentamisessa matalapotentiaalisen maaperän lämmön keräämiseen tarkoitettujen järjestelmien lämpötiloista mahdollisti paitsi välttää vaikeudet, jotka liittyvät lämmönkeruujärjestelmään kohdistuvien ulkoisten vaikutusten lähentämiseen, vaan myös käyttää malleissa meteorologisten asemien kokeellisesti saadut tiedot maaperän luonnollisesta lämpötilasta. Näin voidaan ottaa osittain huomioon koko tekijöiden kokonaisuus (kuten pohjaveden läsnäolo, niiden nopeus ja lämpötilat, maakerrosten rakenne ja sijainti, Maan "terminen" tausta, ilmakehän sademäärä, faasimuutokset huokostilan kosteudesta ja paljon muuta), jotka vaikuttavat merkittävästi lämmönkeruujärjestelmän lämpötilan muodostumiseen ja joiden yhteinen huomioon ottaminen ongelman tiukassa muotoilussa on käytännössä mahdotonta.

Menetelmä kosteuden faasisiirtymien huomioon ottamiseksi maaperän huokostilassa GTST:n suunnittelussa perustuu uuteen käsitteeseen maaperän "ekvivalenttisesta" lämmönjohtavuudesta, joka määräytyy korvaamalla maaperän ongelma. maaperän lämmönvaihtimen putkien ympärille jäätyneen maaperän sylinterin lämpöjärjestelmä, jossa on "vastaava" kvasistationaarinen ongelma läheisellä lämpötilakentällä ja samoilla rajaolosuhteilla, mutta eri "vastaavalla" lämmönjohtavuudella.

Rakennusten maalämpöjärjestelmien suunnittelussa tärkein ratkaistava tehtävä on rakennusalueen ilmaston energiakapasiteetin yksityiskohtainen arviointi ja sen perusteella johtopäätöksen tekeminen yhden tai toisen käytön tehokkuudesta ja kannattavuudesta. GTST:n piirisuunnittelu. Nykyisissä säädöksissä annetut ilmastoparametrien lasketut arvot eivät anna täydellistä kuvausta ulkoilmasta, sen vaihtelusta kuukausittain, samoin kuin tiettyinä vuodenaikoina - lämmityskausi, ylikuumenemisjakso jne. Siksi päätettäessä geotermisen lämmön lämpötilapotentiaalista, arvioitaessa sen mahdollisuutta yhdistelmää muiden matalapotentiaalisten luonnollisten lämmönlähteiden kanssa, arvioitaessa niiden (lähteiden) lämpötilatasoa vuosikierrossa, on tarpeen hankkia täydellisempiä ilmastotietoja, mainittu. esimerkiksi Neuvostoliiton ilmaston käsikirjassa (Leningrad: Gidromethioizdat. Issues 1–34).

Tällaisista ilmastotiedoista meidän tapauksessamme on korostettava ensin:

- tiedot keskimääräisestä kuukausilämpötilasta eri syvyyksissä;

- tiedot auringon säteilyn saapumisesta eri suuntautuneille pinnoille.

Pöytä Kuvissa 1–5 on tietoja maan keskilämpötilasta kuukausittain eri syvyyksissä joissakin Venäjän kaupungeissa. Pöytä Kuva 1 esittää keskimääräiset kuukausittaiset maaperän lämpötilat Venäjän federaation 23 kaupungissa 1,6 metrin syvyydessä, mikä vaikuttaa järkevimmältä maaperän lämpötilapotentiaalin ja vaakasuoran asennuksen koneistamismahdollisuuksien kannalta. maan lämmönvaihtimet.

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 pienipotentiaalinen lämmönlähde. Venäjän alueella samalla syvyydellä sijaitsevien kerrosten lämpötilan suhteellisen pieni vaihteluväli on ilmeinen. Esimerkiksi Stavropolin maaperän minimilämpötila 3,2 metrin syvyydessä 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 luonnollisen lämpötilan ominaispiirre on maaperän vähimmäislämpötilojen viive suhteessa ulkoilman vähimmäislämpötilojen saapumisaikaan. 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 minimilämpötilat saavutetaan, lämpöpumpun lämmönsyöttöjärjestelmän kuormitus (rakennuksen lämpöhäviö) vähenee. 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 alhaisen potentiaalin geotermisen lämmön käytön tehokkuuden mukaan lämmöntuotantotarkoituksiin. Vyöhykejako suoritettiin numeeristen kokeiden tulosten perusteella, jotka koskevat GTST:n toimintatapojen mallintamista Venäjän federaation alueen eri alueiden ilmasto-olosuhteissa. Numeeriset kokeet suoritettiin esimerkissä hypoteettisesta kaksikerroksisesta mökistä, jonka lämmitetty pinta-ala on 200 m2 ja joka oli varustettu geotermisellä lämpöpumppujärjestelmällä lämmön syöttöä varten. Kyseisen talon ulkoseinillä on seuraavat alentuneet lämmönsiirtovastukset:

- ulkoseinät - 3,2 m 2 h ° C / W;

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

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

Numeerisia kokeita suoritettaessa otettiin huomioon seuraavat asiat:

- järjestelmä maaperän lämmön keräämiseksi alhaisella geotermisen energiankulutuksen tiheydellä;

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

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

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

Tutkimukset ovat osoittaneet, että lämpöenergian kulutus maamassasta lämmityskauden loppuun mennessä aiheuttaa maaperän lämpötilan laskua lämmönkeräysjärjestelmän putkirekisterin lähellä, mikä useimpien maiden maaperässä ja ilmasto-olosuhteissa. Venäjän federaation alueella ei ole aikaa kompensoida vuoden kesäkaudella, ja seuraavan lämmityskauden alussa maaperä tulee ulos alentuneella lämpötilapotentiaalilla. Lämpöenergian kulutus seuraavan lämmityskauden aikana laskee edelleen maaperän lämpötilaa ja kolmannen lämmityskauden alussa sen lämpötilapotentiaali poikkeaa vielä enemmän luonnollisesta. Ja niin edelleen. Käyttöön, lämmönkeruujärjestelmän maaperän pitkäaikaiseen lämpöenergian kulutukseen liittyy säännöllisiä muutoksia sen lämpötilassa. Siten Venäjän federaation alueen kaavoitusta suoritettaessa oli tarpeen ottaa huomioon maaperän lämpötilojen lasku, joka aiheutui lämmönkeruujärjestelmän useiden vuosien toiminnasta, ja käyttää maaperän lämpötiloja, jotka odotettiin 5. GTST:n käyttövuosi maaperän lämpötilojen laskennallisina parametreina. Kun otetaan huomioon tämä seikka, suoritettaessa Venäjän federaation alueen kaavoitusta GTST-sovelluksen tehokkuuden kannalta, keskimääräinen lämmönmuutoskerroin K p tr valittiin maalämpöpumpun lämmönjakelujärjestelmän tehokkuuden kriteeriksi. 5. käyttövuosi, joka on GTST:n tuottaman hyötylämpöenergian suhde sen käyttövoimaan käytettyyn energiaan ja joka määritetään ihanteellista termodynaamista Carnot-sykliä varten seuraavasti:

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

missä T noin - lämmitys- tai lämmönsyöttöjärjestelmään siirretyn lämmön lämpötilapotentiaali, K;

T ja on lämmönlähteen lämpötilapotentiaali, K.

Lämpöpumppulämmönsyöttöjärjestelmän muunnoskerroin Ktr on kuluttajan lämmönsyöttöjärjestelmään poistetun hyötylämmön suhde GTST:n toimintaan käytettyyn energiaan ja on numeerisesti yhtä suuri kuin lämpötiloissa T vastaanotetun hyötylämmön määrä. o ja T sekä GTST:n käyttöön käytettyä energiayksikköä kohti... Todellinen muunnossuhde eroaa kaavan (1) mukaisesta ideaalista kertoimen h arvolla, joka ottaa huomioon GTST:n termodynaamisen täydellisyyden asteen ja palautumattomat energiahäviöt syklin aikana.

Numeeriset kokeet suoritettiin INSOLAR-INVESTissä luodulla ohjelmalla, joka varmistaa lämmönkeruujärjestelmän optimaalisten parametrien määrittämisen riippuen rakennusalueen ilmasto-olosuhteista, rakennuksen lämpösuojausominaisuuksista ja käyttöominaisuuksista. lämpöpumppulaitteet, kiertovesipumput, lämmitysjärjestelmän lämmityslaitteet sekä niiden toimintatavat. Ohjelma perustuu aiemmin kuvattuun menetelmään matemaattisten mallien rakentamiseksi matalan potentiaalin maaperän lämmön keräämiseen tarkoitettujen järjestelmien lämpötilasta, 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, Maan "terminen" tausta, ilmakehän sademäärä, kosteuden faasimuutokset huokosavaruudessa ja paljon muuta), jotka vaikuttavat merkittävästi järjestelmän lämmönkeruun lämpötilan muodostumiseen ja joiden yhteislaskentaan Ongelman tiukka muotoilu on nykyään käytännössä mahdotonta. Ratkaisuna "perusongelmaan" käytimme Neuvostoliiton ilmastokäsikirjan (Leningrad: Gidromethioizdat. Numero 1–34) tietoja.

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

Numeeristen kokeiden ja Venäjän alueen kaavoitustulokset matalapotentiaalisen geotermisen lämmön käytön tehokkuuden suhteen rakennusten lämmittämiseen on esitetty graafisesti kuvassa. 2-9.

Kuviossa 1 Kuvassa 2 on esitetty maalämpöpumppulämmönjakelujärjestelmien muunnossuhteen arvot ja isoliinit vaakasuuntaisilla lämmönkeräysjärjestelmillä, ja kuvassa 2. 3 - GTST:lle, jossa on pystysuorat lämmönkeruujärjestelmät. Kuten kuvista voidaan nähdä, Kp tr 4,24:n maksimiarvot vaakatason lämmönkeruujärjestelmissä ja 4,14 pystysuorassa järjestelmässä voidaan odottaa Venäjän alueen eteläosassa, ja vähimmäisarvot ovat vastaavasti 2,87 ja 2,73. pohjoisessa, Uelenissa. Keski-Venäjällä vaakasuuntaisten lämmönkeräysjärjestelmien K ptr:n arvot ovat välillä 3,4–3,6 ja pystysuorien järjestelmien välillä 3,2–3,4. Riittävän korkeat Кррт -arvot (3,2–3,5) Kaukoidän alueilla, alueet, joilla on perinteisesti vaikeat polttoaineen toimitusolosuhteet, houkuttelevat itseään. Ilmeisesti Kaukoitä 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 kuvassa Fig. 5 - GTST: lle, jossa on pystysuora lämmönkeruujärjestelmä. Kuten kuvista näkyy, vuotuinen energian ominaiskulutus vaakasuuntaisen GTST:n käytölle, vähennettynä 1 m2:iin lämmitettyä rakennusalaa, vaihtelee Etelä-Venäjän 28,8 kWh / (vuosi m2) ja 241 kWh / (vuosi m2) välillä. ) St. Jakutskissa ja pystysuoralle GTST:lle, 28,7 kWh / / (vuosi m2) etelässä ja 248 kWh / / (vuosi m2) Jakutskissa. Jos kerromme tietyn alueen luvuissa esitetyn GTST:n käytön vuotuisen ominaisenergiankulutuksen arvolla tämän alueen arvolla K p tr, vähennettynä 1:llä, saadaan GTST:n säästämä energiamäärä. alkaen 1 m 2 lämmitetystä pinta-alasta vuodessa. Esimerkiksi Moskovassa pystysuoralle GTST:lle tämä arvo on 189,2 kWh 1 m 2 vuodessa. Vertailun vuoksi voimme antaa Moskovan energiansäästöstandardien mukaiset ominaisenergiankulutuksen arvot MGSN 2.01–99 matalille rakennuksille 130 ja monikerroksisille rakennuksille 95 kWh / (vuosi m 2). Samanaikaisesti standardisoidut MGSN 2.01–99 energiakustannukset sisältävät vain lämmityksen ja ilmanvaihdon energiakustannukset, meidän tapauksessamme myös kuuman veden energiakustannukset sisältyvät energiakustannuksiin. Tosiasia on, että nykyisten standardien mukainen lähestymistapa rakennuksen toiminnan energiakustannusten arviointiin erottaa erillisiksi eriksi rakennuksen lämmityksen ja ilmanvaihdon energiakustannukset sekä sen kuuman veden toimittamisen energiakustannukset. Samaan aikaan kuuman veden energiankulutusta ei ole standardoitu. Tämä lähestymistapa ei vaikuta oikealta, koska kuumavesihuoltoon liittyvät energiakustannukset ovat usein verrannollisia lämmitykseen ja ilmanvaihtoon liittyviin energiakustannuksiin.

Kuviossa 1 Kuvassa 6 on esitetty huipun lähentimen (PD) lämpötehon ja horisontaalisen GTSS:n asennetun sähkötehon rationaalisen suhteen arvot ja isoliinit yksikön murto-osina, ja kuvassa 1. 7 - GTST:lle, jossa on pystysuorat lämmönkeruujärjestelmät. Huipun läheisyydessä olevan lämpötehon ja GTST:n asennetun sähkökapasiteetin (ilman PD:tä) rationaalisen suhteen kriteerinä oli GTST + PD:n käytön vähimmäisvuosittainen sähkönkulutus. Kuten kuvista voidaan nähdä, termisen DP:n ja sähköisen GTST:n (ilman DP:tä) rationaalinen suhde vaihtelee nollasta Etelä-Venäjällä 2,88:aan - vaakasuuntaisille GTST:lle ja 2,92: een Jakutskin pystysuoralle järjestelmälle. Venäjän federaation alueen keskivyöhykkeellä sulkimen lämpötehon ja GTST + PD:n asennetun sähkötehon rationaalinen suhde on välillä 1,1–1,3 sekä vaaka- että pystysuorassa GTST:ssä. Tässä vaiheessa sinun on mietittävä tarkemmin. Tosiasia on, että kun vaihdamme esimerkiksi sähkölämmityksen Venäjän keskusvyöhykkeellä, meillä on itse asiassa mahdollisuus pienentää lämmitettyyn rakennukseen asennettujen sähkölaitteiden kapasiteettia 35-40% ja siten pienentää sähkötehoa pyydetty RAO UES:ltä, joka nykyään "maksaa »Noin 50 tuhatta ruplaa. taloon asennetulle 1 kW sähköteholle. Joten esimerkiksi mökille, 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.

Siten, jos otamme oikein huomioon kaikki kustannukset, jotka liittyvät rakennuksen liittämiseen keskitettyyn virtalähteeseen, käy ilmi, että nykyisten sähkön tariffien ja keskitettyjen virransyöttöverkkojen yhdistämisen kanssa Venäjän federaation keskusvyöhykkeellä, jopa Kertamaksuna GTST osoittautuu sähkölämmitystä kannattavammaksi, puhumattakaan 60 %:n energiansäästöstä.

Kuviossa 1 Kuva 8 esittää vuoden aikana piikin lähentämisen (PD) tuottaman lämpöenergian ominaispainon arvot ja isoliinit vaakasuuntaisen GTST + PD -järjestelmän vuotuisessa kokonaisenergiankulutuksessa prosentteina, ja kuvassa 2. 9 - GTST:lle, jossa on pystysuorat lämmönkeruujärjestelmät. Kuten kuvista näkyy, huipun lähentämisen (PD) vuoden aikana tuottaman lämpöenergian ominaispaino horisontaalisen GTST + PD -järjestelmän vuotuisessa energian kokonaiskulutuksessa vaihtelee Etelä-Venäjän 0 prosentista 38– 40 % Jakutskissa ja Turassa ja pystysuorassa GTST + PD - vastaavasti 0 %:sta etelässä ja jopa 48,5 %:iin Jakutskissa. Venäjän keskivyöhykkeellä nämä arvot ovat noin 5–7 % sekä pysty- että vaakasuuntaisella GTST:llä. Tämä on pieni energiankulutus, ja tässä suhteessa sinun on oltava varovainen valitessasi huippua lähempänä. Järkevimpiä sekä 1 kW tehon ominaisinvestointien että automaation kannalta ovat huippusähköjohtimet. Pellettikattiloiden käyttö ansaitsee huomiota.

Lopuksi haluaisin puhua erittäin tärkeästä asiasta: rakennusten lämpösuojauksen järkevän tason valinnasta. Tämä ongelma on nykyään erittäin vakava tehtävä, jonka ratkaiseminen vaatii vakavaa numeerista analyysiä, jossa otetaan huomioon sekä ilmastomme erityispiirteet että käytössä olevien teknisten laitteiden, keskitettyjen verkkojen infrastruktuurin sekä ekologiset ominaisuudet. kaupunkien tilanne, joka kirjaimellisesti pahenee silmiemme edessä, ja paljon muuta. On selvää, että jo nykyään on väärin muotoilla vaatimuksia rakennuksen kuorelle ottamatta huomioon sen (rakennuksen) suhdetta ilmastoon ja energianhuoltojärjestelmään, sähköverkkoihin jne. Tästä johtuen aivan lähitulevaisuudessa , ratkaisu lämpösuojauksen järkevän tason valinnan ongelmaan on mahdollista vain sillä perusteella, että monimutkainen rakennus + energiansyöttöjärjestelmä + ilmasto + ympäristö pidetään yhtenä ekoenergiajärjestelmänä ja tällä lähestymistavalla kilpailuedut GTST:tä kotimarkkinoilla tuskin voi yliarvioida.

Kirjallisuus

1. Sanner B. Maalämpölähteet lämpöpumppuille (luokitus, ominaisuudet, edut). Maalämpöpumppujen kurssi, 2002.

2. Vasiliev GP Taloudellisesti tarkoituksenmukainen rakennusten lämpösuojauksen taso Energosberezhenie. - 2002. - Nro 5.

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

Maassamme, jossa on runsaasti hiilivetyjä, geoterminen energia on eksoottinen luonnonvara, joka ei nykytilanteessa todennäköisesti kilpaile öljyn ja kaasun kanssa. Tästä huolimatta tätä vaihtoehtoista energiamuotoa voidaan käyttää lähes kaikkialla ja se on varsin tehokas.

Geoterminen energia on maan sisäpuolen lämpöä. Sitä tuotetaan syvyyksissä ja se tulee maan pinnalle eri muodoissa ja eri intensiteetillä.

Maaperän ylempien kerrosten lämpötila riippuu pääasiassa ulkoisista (ulkoisista) tekijöistä - auringonvalosta ja ilman lämpötilasta. Kesällä ja päivällä maaperä lämpenee tiettyyn syvyyteen, ja talvella ja yöllä se jäähtyy ilman lämpötilan muutoksen seurauksena ja jonkin verran viiveellä, kasvaen syvyyden myötä. Ilman lämpötilan päivittäisten vaihteluiden vaikutus päättyy syvyydessä muutamista useisiin kymmeniin senttimetreihin. Kausivaihtelut kattavat syvemmät maaperät - jopa kymmeniä metrejä.

Tietyllä syvyydellä - kymmenistä satoihin metriin - maaperän lämpötila pidetään vakiona, joka on sama kuin maan pinnan keskimääräinen vuotuinen ilman lämpötila. Tämä on helppo varmistaa menemällä alas riittävän syvään luolaan.

Kun vuoden keskilämpötila tietyllä alueella on alle nollan, se ilmenee ikiroutana (tarkemmin sanottuna ikiroutana). Itä-Siperiassa ympärivuotisten jäämaiden paksuus eli paksuus on paikoin 200-300 metriä.

Tietystä syvyydestä (kartan jokaiselle pisteelle omansa) Auringon ja ilmakehän toiminta heikkenee niin paljon, että endogeeniset (sisäiset) tekijät tulevat esiin ja maan sisäpuoli lämpenee sisältä, jolloin lämpötila alkaa nousta syvyyden myötä.

Maan syvien kerrosten kuumeneminen liittyy pääasiassa siellä olevien radioaktiivisten alkuaineiden hajoamiseen, vaikka muita lämmönlähteitä kutsutaan myös esimerkiksi fysikaalis-kemiallisiksi, tektonisiksi prosesseiksi maankuoren ja vaipan syvissä kerroksissa. Mutta olipa syy mikä tahansa, kivien ja niihin liittyvien nestemäisten ja kaasumaisten aineiden lämpötila kasvaa syvyyden myötä. Kaivostyöläiset kohtaavat tämän ilmiön - syvissa kaivoksissa on aina kuuma. 1 km:n syvyydessä kolmenkymmenen asteen lämpö on normaalia, ja syvemmällä lämpötila on vielä korkeampi.

Maan sisäpuolen lämpövirtaus, joka saavuttaa maan pinnan, on pieni - sen teho on keskimäärin 0,03–0,05 W / m 2 eli noin 350 W · h / m 2 vuodessa. Auringosta tulevan lämpövirran ja sen lämmittämän ilman taustaa vasten tämä on huomaamaton arvo: Aurinko antaa jokaiselle maanpinnan neliömetrille vuosittain noin 4000 kWh eli 10 000 kertaa enemmän (tietenkin tämä on keskimäärin valtava leviäminen napa- ja päiväntasaajan leveysasteiden välillä ja riippuen muista ilmasto- ja säätekijöistä).

Lämpövirran merkityksetön merkitys sisätilasta pintaan suurimmalla osalla planeettaa liittyy kallioiden heikkoon lämmönjohtavuuteen ja geologisen rakenteen erityispiirteisiin. Mutta on poikkeuksia - paikkoja, joissa lämpövirta on korkea. Nämä ovat ensinnäkin tektonisten vikojen vyöhykkeet, lisääntynyt seisminen aktiivisuus ja tulivuorenpurkaukset, joilla maan sisäisen energian ulostulo löytää. Tällaisille vyöhykkeille on ominaista litosfäärin lämpöpoikkeamat, jossa maan pinnalle tuleva lämpövirta voi olla useita kertoja ja jopa suuruusluokkaa voimakkaampi kuin "tavallinen". Tulivuorenpurkaukset ja kuumavesilähteet kuljettavat valtavan määrän lämpöä pintaan näillä alueilla.

Juuri nämä alueet ovat suotuisimpia geotermisen energian kehittämiselle. Venäjän alueella nämä ovat ennen kaikkea Kamtšatka, Kuriilisaaret ja Kaukasus.

Samaan aikaan geotermisen energian kehittäminen on mahdollista lähes kaikkialla, koska lämpötilan nousu syvyyden myötä on arjen ilmiö, ja tehtävänä on "poistaa" lämpöä suolistosta, aivan kuten mineraaliraaka-aineita saadaan sieltä.

Keskimäärin lämpötila kohoaa syvyyden myötä 2,5–3 °C 100 m:n välein. Kahden eri syvyydessä olevan pisteen lämpötilaeron suhdetta niiden väliseen syvyyseroon kutsutaan geotermiseksi gradienttiksi.

Käänteisluku on geoterminen askel tai syvyysväli, jossa lämpötila nousee 1 °C.

Mitä suurempi gradientti ja vastaavasti matalampi askel, sitä lähempänä maapallon syvyyksien lämpö lähestyy pintaa ja sitä lupaavampi tämä alue on geotermisen energian kehittämiselle.

Eri alueilla, riippuen geologisesta rakenteesta ja muista alueellisista ja paikallisista olosuhteista, lämpötilan nousunopeus syvyyden mukaan voi vaihdella dramaattisesti. Maan mittakaavassa geotermisen gradientin ja portaiden suuruusvaihtelut saavuttavat 25-kertaisen. Esimerkiksi Oregonissa (USA) gradientti on 150 ° C / km ja Etelä-Afrikassa se on 6 ° C / km.

Kysymys kuuluu, mikä on lämpötila suurissa syvyyksissä - 5, 10 km tai enemmän? Jos suuntaus jatkuu, 10 kilometrin syvyydessä lämpötilan pitäisi olla keskimäärin 250–300 °C. Tämän vahvistavat enemmän tai vähemmän suorat havainnot supersyvistä kaivoista, vaikka kuva onkin paljon monimutkaisempi kuin lineaarinen lämpötilan nousu.

Esimerkiksi Itämeren kidekilpiin poratussa Kuolan supersyvässä kaivossa lämpötila muuttuu 3 km:n syvyyteen nopeudella 10 °C / 1 km, jolloin geoterminen gradientti kasvaa 2–2,5 kertaa. 7 km:n syvyydessä mitattiin jo 120 ° C:n lämpötila, 10 km - 180 ° C:n syvyydessä ja 12 km - 220 ° C:n syvyydessä.

Toinen esimerkki on pohjois -Kaspianmeren alueelle porattu kaivo, jossa lämpötila oli 42 ° C 500 metrin syvyydessä, 70 ° C 1,5 km: n etäisyydellä, 80 ° C 2 km: n alueella ja 108 ° C 3 km: n etäisyydellä.

Oletetaan, että geoterminen gradientti laskee alkaen 20-30 km:n syvyydestä: 100 km:n syvyydessä oletetut lämpötilat ovat noin 1300-1500 °C, 400 km:n - 1600 °C:n syvyydessä maapallolla. ydin (syvyys yli 6000 km) - 4000-5000 ° C.

10–12 km:n syvyydessä lämpötila mitataan porakaivoista; missä niitä ei ole, se määräytyy epäsuorilla merkeillä samalla tavalla kuin suuremmissa syvyyksissä. Tällaisia ​​epäsuoria merkkejä voivat olla seismisten aaltojen kulun luonne tai ulosvirtaavan laavan lämpötila.

Geotermisen energian kannalta tiedot lämpötiloista yli 10 km:n syvyyksissä eivät kuitenkaan ole vielä käytännön kiinnostavia.

Useiden kilometrien syvyyksissä on paljon lämpöä, mutta miten nostaa sitä? Joskus tämän ongelman ratkaisee meille itse luonto luonnollisen lämmönsiirtoaineen avulla - lämmitetyt lämpövedet, jotka tulevat pintaan tai sijaitsevat syvyydessä, joka on meille saatavilla. Joissakin tapauksissa syvyyksissä oleva vesi kuumennetaan höyryn tilaan.

Termille "lämpövedet" ei ole tiukkaa määritelmää. Yleensä ne tarkoittavat kuumaa pohjavettä nestemäisessä tilassa tai höyryn muodossa, mukaan lukien ne, jotka tulevat maan pinnalle, joiden lämpötila on yli 20 ° C, toisin sanoen yleensä korkeampi kuin ilman lämpötila.

Pohjaveden, höyryn, höyry-vesi-seosten lämpö on hydrotermistä energiaa. Sen vuoksi sen käyttöön perustuvaa energiaa kutsutaan hydrotermiseksi.

Tilanne on monimutkaisempi tuotettaessa lämpöä suoraan kuivista kivistä - petrotermistä energiaa, varsinkin kun melko korkeat lämpötilat alkavat pääsääntöisesti usean kilometrin syvyydestä.

Venäjän alueella petrotermisen energian potentiaali on sata kertaa suurempi kuin hydrotermisen energian - vastaavasti 3500 ja 35 biljoonaa tonnia polttoainetta. Tämä on aivan luonnollista - maan syvyyksien lämpöä on kaikkialla, ja lämpövesiä löytyy paikallisesti. Lämmön ja sähkön tuottamiseen liittyvien ilmeisten teknisten vaikeuksien vuoksi tällä hetkellä käytetään kuitenkin pääasiassa lämpövesiä.

Vesi, jonka lämpötila on 20-30 °C ja 100 °C, soveltuu lämmitykseen, lämpötilat 150 °C ja yli - sekä sähköntuotantoon geotermisissä voimalaitoksissa.

Yleensä geotermiset resurssit Venäjän alueella vastaavan polttoaineen tai minkä tahansa muun energian mittayksikön tonneina mitattuna ovat noin 10 kertaa suuremmat kuin fossiilisten polttoaineiden varat.

Teoriassa vain geoterminen energia voisi tyydyttää maan energiatarpeet täysin. Käytännössä tällä hetkellä suurimmalla osalla sen aluetta tämä ei ole mahdollista teknisistä ja taloudellisista syistä.

Maailmassa geotermisen energian käyttö yhdistetään useimmiten Islantiin - maahan, joka sijaitsee Keski-Atlantin harjanteen pohjoispäässä, erittäin aktiivisella tektonisella ja vulkaanisella vyöhykkeellä. Luultavasti kaikki muistavat Eyjafjallajokull-tulivuoren voimakkaan purkauksen ( Eyjafjallajökull) vuonna 2010.

Tämän geologisen ominaisuuden ansiosta Islannilla on valtavat geotermisen energian varannot, mukaan lukien kuumia lähteitä, jotka tulevat maan pinnalle ja jopa purskahtavat geysirien muodossa.

Islannissa yli 60% kaikesta kulutetusta energiasta otetaan tällä hetkellä maapallolta. Geotermiset lähteet mukaan lukien tuottavat 90 % lämmityksestä ja 30 % sähköntuotannosta. Lisätään, että muu osa maan sähköstä tuotetaan vesivoimalaitoksilla eli myös uusiutuvalla energialähteellä, minkä ansiosta Islanti näyttää eräänlaiselta globaalilta ympäristöstandardilta.

Geotermisen energian "kesyttäminen" 1900-luvulla auttoi Islantia huomattavasti taloudellisesti. Viime vuosisadan puoliväliin asti se oli erittäin köyhä maa, nyt se on maailman ensimmäisellä sijalla asennetun kapasiteetin ja geotermisen energian tuotannossa asukasta kohden ja on kymmenen parhaan joukossa geotermisen asennetun kapasiteetin absoluuttisella arvolla mitattuna. voimalaitokset. Sen väkiluku on kuitenkin vain 300 tuhatta ihmistä, mikä yksinkertaistaa siirtymistä ympäristöystävällisiin energialähteisiin: sen tarve on yleensä pieni.

Islannin lisäksi suuri osuus geotermisestä energiasta sähköntuotannon kokonaistaseesta saadaan Uudessa-Seelannissa ja Kaakkois-Aasian saarivaltioissa (Filippiinit ja Indonesia), Keski-Amerikan ja Itä-Afrikan maissa, joiden alue on myös jolle on ominaista korkea seisminen ja tulivuoren aktiivisuus. Geoterminen energia edistää näiden maiden nykyistä kehitystasoa ja tarpeita merkittävällä tavalla sosiaalis-taloudellisessa kehityksessä.

Geotermisen energian käytöllä on pitkä historia. Yksi ensimmäisistä tunnetuista esimerkeistä on Italia, paikka Toscanan maakunnassa, jota kutsutaan nyt nimellä Larderello, jossa jo 1800 -luvun alussa käytettiin paikallisia kuumia, luonnollisesti kaatettuja tai matalista kaivoista peräisin olevia lämpimiä vesiä. energiatarkoituksiin.

Täällä käytettiin booririkasta pohjavettä boorihapon saamiseksi. Alun perin tämä happo saatiin haihduttamalla rautakattiloissa ja polttoaineeksi käytettiin tavallista polttopuuta läheisistä metsistä, mutta vuonna 1827 Francesco Larderel loi järjestelmän, joka toimi itse vesien lämmöllä. Samaan aikaan luonnollisen vesihöyryn energiaa alettiin käyttää porauslaitteiden toimintaan ja 1900-luvun alussa - paikallisten talojen ja kasvihuoneiden lämmittämiseen. Samassa paikassa Larderellossa vuonna 1904 lämpövesihöyrystä tuli energianlähde sähkön tuottamiseen.

Jotkut muut maat seurasivat Italian esimerkkiä 1800 -luvun lopulla ja 1900 -luvun alussa. Esimerkiksi vuonna 1892 lämpövesiä käytettiin paikalliseen lämmitykseen ensimmäisen kerran Yhdysvalloissa (Boise, Idaho), vuonna 1919 Japanissa ja vuonna 1928 Islannissa.

Yhdysvalloissa ensimmäinen hydroterminen voimalaitos ilmestyi Kaliforniaan 1930-luvun alussa, Uuteen-Seelantiin vuonna 1958, Meksikoon vuonna 1959, Venäjälle (maailman ensimmäinen binaarinen geoterminen voimalaitos) vuonna 1965 ...

Vanha periaate uudesta lähteestä

Sähköntuotanto vaatii korkeamman vesilähteen lämpötilan kuin lämmitykseen - yli 150 °C. Geotermisen voimalaitoksen (GeoPP) toimintaperiaate on samanlainen kuin perinteisen lämpövoimalaitoksen (TPP) toimintaperiaate. Itse asiassa geoterminen voimalaitos on eräänlainen lämpövoimalaitos.

Lämpövoimalaitoksissa pääsääntöisesti hiili, kaasu tai polttoöljy toimivat ensisijaisena energialähteenä ja vesihöyry toimii työnesteenä. Polttoaine palaessaan lämmittää veden höyryksi, joka pyörittää höyryturbiinia ja tuottaa sähköä.

Ero GeoPP:iden välillä on se, että ensisijainen energianlähde tässä on maan sisäpuolen lämpö ja käyttöneste höyryn muodossa syötetään sähkögeneraattorin turbiinien lapoihin "valmiissa" muodossa suoraan tuotannosta. hyvin.

GeoPP:n toiminnassa on kolme päämallia: suora, käyttämällä kuivaa (geotermistä) höyryä; epäsuora, hydrotermiseen veteen perustuva ja sekoitettu tai binäärinen.

Tietyn järjestelmän käyttö riippuu aggregaatiotilasta ja energian kantajan lämpötilasta.

Yksinkertaisin ja siksi ensimmäinen hallituista kaavioista on suora viiva, jossa kaivosta tuleva höyry johdetaan suoraan turbiinin läpi. Myös maailman ensimmäinen GeoPP Larderellossa toimi kuivalla höyryllä vuonna 1904.

GeoPP:t, joissa on epäsuora työsuunnitelma, ovat aikamme yleisimpiä. He käyttävät kuumaa maanalaista vettä, joka pumpataan korkeassa paineessa höyrystimeen, jossa osa siitä haihdutetaan ja syntyvä höyry pyörittää turbiinia. Joissakin tapauksissa tarvitaan muita laitteita ja piirejä geotermisen veden ja höyryn puhdistamiseksi aggressiivisista yhdisteistä.

Käytetty höyry tulee injektiokaivoon tai sitä käytetään tilan lämmitykseen - tässä tapauksessa periaate on sama kuin CHP:n käytön aikana.

Binäärisissä GeoPP:issä kuuma lämpövesi on vuorovaikutuksessa toisen nesteen kanssa, joka toimii työnesteenä, jolla on alhaisempi kiehumispiste. Molemmat nesteet johdetaan lämmönvaihtimen läpi, jossa lämpövesi haihduttaa työnesteen, jonka höyry pyörittää turbiinia.

Tämä järjestelmä on suljettu, mikä ratkaisee ilmakehään joutuvien päästöjen ongelman. Lisäksi suhteellisen alhaisen kiehumispisteen omaavat käyttönesteet mahdollistavat ei kovin kuumien lämpövesien käytön ensisijaisena energialähteenä.

Kaikissa kolmessa järjestelmässä käytetään hydrotermistä lähdettä, mutta petrotermistä energiaa voidaan käyttää myös sähkön tuottamiseen.

Kaaviokaavio on tässä tapauksessa myös melko yksinkertainen. On tarpeen porata kaksi toisiinsa yhdistettyä kaivoa - injektio- ja tuotantokaivoa. Vesi pumpataan ruiskutuskaivoon. Syvyydessä se lämpenee, jonka jälkeen voimakkaan kuumennuksen tuloksena muodostunut lämmitetty vesi tai höyry syötetään tuotantokaivon kautta pintaan. Lisäksi kaikki riippuu siitä, kuinka petrotermistä energiaa käytetään - lämmitykseen tai sähkön tuottamiseen. Suljettu sykli on mahdollista ruiskuttamalla höyryä ja vettä takaisin ruiskutuskaivoon tai muulla tavalla.

Tällaisen järjestelmän haittapuoli on ilmeinen: riittävän korkean käyttönesteen lämpötilan saamiseksi on tarpeen porata kaivoja suureen syvyyteen. Ja nämä ovat vakavia kustannuksia ja suuren lämpöhäviön riskiä nesteen liikkuessa ylöspäin. Siksi petrotermiset järjestelmät ovat edelleen vähemmän yleisiä kuin hydrotermiset, vaikka petrotermisen energian potentiaali onkin suuruusluokkaa suurempi.

Tällä hetkellä Australia on johtava niin kutsuttujen petrotermisten kiertojärjestelmien (PCS) luomisessa. Lisäksi tämä geotermisen energian suunta kehittyy aktiivisesti Yhdysvalloissa, Sveitsissä, Isossa -Britanniassa ja Japanissa.

Lordi Kelvinin lahja

Fyysikko William Thompsonin (alias Lord Kelvin) vuonna 1852 keksimä lämpöpumppu tarjosi ihmiskunnalle todellisen mahdollisuuden käyttää ylempien maakerrosten matalapotentiaalista lämpöä. Lämpöpumppujärjestelmä tai, kuten Thompson sitä kutsui, lämmönkerroin perustuu fysikaaliseen prosessiin, jossa lämpö siirretään ympäristöstä kylmäaineeseen. Itse asiassa se käyttää samaa periaatetta kuin petrotermisissä järjestelmissä. Ero on lämmönlähteessä, jonka yhteydessä voi herää terminologinen kysymys: missä määrin lämpöpumppua voidaan pitää maalämpöjärjestelmänä? Tosiasia on, että ylemmissä kerroksissa, kymmenien - satojen metrien syvyyksissä, kiviä ja niiden sisältämiä nesteitä lämmittää ei maan syvä lämpö, ​​vaan aurinko. Näin ollen aurinko on tässä tapauksessa ensisijainen lämmönlähde, vaikka se otetaan, kuten geotermisissä järjestelmissä, maasta.

Lämpöpumpun toiminta perustuu maaperän lämpenemisen ja jäähtymisen viivästymiseen ilmakehään verrattuna, minkä seurauksena pinnan ja syvempien kerrosten välille muodostuu lämpötilagradientti, joka säilyttää lämpöä myös talvella, vastaavasti kuin mitä vesistöissä tapahtuu. Lämpöpumppujen päätarkoitus on tilan lämmitys. Itse asiassa se on "käänteinen jääkaappi". Sekä lämpöpumppu että jääkaappi ovat vuorovaikutuksessa kolmen komponentin kanssa: sisäinen ympäristö (ensimmäisessä tapauksessa - lämmitetty huone, toisessa - jääkaapin jäähdytyskammio), ulkoinen ympäristö - energialähde ja kylmäaine (jäähdytysneste) , se on myös lämmönsiirtoaine, joka siirtää lämpöä tai kylmää.

Alhaisen kiehumispisteen omaava aine toimii kylmäaineena, jolloin se voi ottaa lämpöä lähteestä, jonka lämpötila on jopa suhteellisen alhainen.

Jääkaapissa nestemäinen kylmäaine tulee höyrystimeen kaasun (paineensäätimen) kautta, jossa neste haihtuu paineen jyrkän laskun vuoksi. Haihtuminen on endoterminen prosessi, joka vaatii ulkoista lämmön absorptiota. Tämän seurauksena höyrystimen sisäseinistä otetaan lämpöä, mikä tarjoaa jäähdytysvaikutuksen jääkaapin kammioon. Lisäksi höyrystimestä kylmäaine imetään kompressoriin, jossa se palaa aggregoituneena nestemäiseen tilaan. Tämä on käänteinen prosessi, joka johtaa poistetun lämmön vapautumiseen ulkoiseen ympäristöön. Yleensä se heitetään huoneeseen ja jääkaapin takaosa on suhteellisen lämmin.

Lämpöpumppu toimii suunnilleen samalla tavalla sillä erolla, että lämpö otetaan ulkoisesta ympäristöstä ja höyrystimen kautta tulee sisäiseen ympäristöön - huoneen lämmitysjärjestelmään.

Oikeassa lämpöpumpussa vesi lämpenee kulkemalla ulkopuolista piiriä pitkin, joka on asetettu maahan tai säiliöön, ja menee sitten höyrystimeen.

Höyrystimessä lämpö siirtyy sisäiseen piiriin, joka on täytetty matalan kiehumispisteen omaavalla kylmäaineella, joka höyrystimen läpi kulkiessaan muuttuu nestemäisestä kaasumaiseen tilaan ottamalla lämmön pois.

Lisäksi kaasumainen kylmäaine menee kompressoriin, jossa se puristetaan korkeaan paineeseen ja lämpötilaan, ja tulee lauhduttimeen, jossa lämmönvaihto tapahtuu kuuman kaasun ja lämmitysjärjestelmän jäähdytysnesteen välillä.

Kompressori vaatii toimiakseen sähköä, mutta muunnossuhde (kulututetun ja tuotetun energian suhde) on nykyaikaisissa järjestelmissä riittävän korkea tehokkuuden varmistamiseksi.

Tällä hetkellä lämpöpumppuja käytetään laajalti tilojen lämmitykseen, pääasiassa taloudellisesti kehittyneissä maissa.

Eko-oikea energia

Geotermistä energiaa pidetään ympäristöystävällisenä, mikä on yleensä totta. Ensinnäkin se käyttää uusiutuvaa ja käytännössä ehtymätöntä luonnonvaraa. Geoterminen energia ei vaadi suuria alueita, toisin kuin suuret vesivoimalaitokset tai tuulivoimalat, eikä saastuta ilmakehää, toisin kuin hiilivetyenergia. GeoPP vie keskimäärin 400 m 2 1 GW tuotettua sähköä kohti. Sama luku esimerkiksi hiilivoimalaitoksella on 3600 m 2. GeoPP-laitteiden ekologisiin etuihin kuuluu myös alhainen vedenkulutus - 20 litraa makeaa vettä 1 kW:a kohti, kun taas voimalaitokset ja ydinvoimalat vaativat noin 1000 litraa. Huomaa, että nämä ovat "keskimääräisen" GeoPP:n ympäristöindikaattoreita.

Mutta negatiivisia sivuvaikutuksia on silti. Niistä useimmiten erotetaan melu, ilmakehän lämpösaaste ja kemiallinen saastuminen - vesi ja maaperä sekä kiinteän jätteen muodostuminen.

Pääasiallinen ympäristön kemiallisen saastumisen lähde on varsinainen lämpövesi (korkealämpötilainen ja mineralisoitunut), joka sisältää usein suuria määriä myrkyllisiä yhdisteitä, joiden yhteydessä on ongelma jäteveden ja vaarallisten aineiden hävittämisessä.

Geotermisen energian negatiiviset vaikutukset voidaan jäljittää useissa vaiheissa kaivojen porauksesta alkaen. Täällä syntyy samat vaarat kuin mitä tahansa kaivoa porattaessa: maaperän ja kasvillisuuden peittäminen, maaperän ja pohjaveden saastuminen.

GeoPP:n toimintavaiheessa ympäristön saastumisen ongelmat jatkuvat. Lämpönesteet - vesi ja höyry - sisältävät yleensä hiilidioksidia (CO 2), rikkisulfidia (H 2 S), ammoniakkia (NH 3), metaania (CH 4), ruokasuolaa (NaCl), booria (B), arseenia (As ), elohopea (Hg). Kun ne päästetään ulkoiseen ympäristöön, niistä tulee sen saastumisen lähteitä. Lisäksi aggressiivinen kemiallinen ympäristö voi aiheuttaa syövyttäviä vaurioita geotermisen voimalaitoksen rakenteille.

Samaan aikaan GeoPP:n saastepäästöt ovat keskimäärin pienemmät kuin lämpövoimalaitoksissa. Esimerkiksi hiilidioksidipäästöt jokaista tuotetun sähkön kilowattituntia kohden ovat jopa 380 g GeoPP-laitoksissa, 1 042 g - hiilivoimaloissa, 906 g - polttoöljy ja 453 g - kaasuvoimaloissa.

Herää kysymys: mitä tehdä jätevedelle? Alhaisen suolapitoisuuden ansiosta se voidaan jäähdytyksen jälkeen päästää pintavesiin. Toinen tapa on pumpata se takaisin pohjavesikerrokseen ruiskutuskaivon kautta, joka on suositeltava ja pääasiassa käytössä nykyään.

Lämpöveden otto pohjavesikerroksista (sekä tavallisen veden pumppaus) voi aiheuttaa maaperän vajoamista ja liikkumista, muita geologisten kerrosten muodonmuutoksia ja mikromaanjäristyksiä. Tällaisten ilmiöiden todennäköisyys on yleensä pieni, vaikka yksittäisiä tapauksia on kirjattu (esimerkiksi GeoPP:ssä Staufen im Breisgaussa Saksassa).

On syytä korostaa, että suurin osa GeoPP-projekteista sijaitsee suhteellisen harvaan asutuilla alueilla ja kolmannen maailman maissa, joissa ympäristövaatimukset ovat vähemmän tiukat kuin kehittyneissä maissa. Lisäksi GeoPP -laitteiden määrä ja kapasiteetti ovat tällä hetkellä suhteellisen pienet. Geotermisen energian laajemman kehittämisen myötä ympäristöriskit voivat kasvaa ja moninkertaistua.

Kuinka paljon on maapallon energia?

Geotermisten järjestelmien rakentamisen investointikustannukset vaihtelevat erittäin laajalla alueella - 200 dollarista 5 000 dollariin per 1 kW asennettua kapasiteettia, eli halvimmat vaihtoehdot ovat verrattavissa lämpövoimalan rakentamiskustannuksiin. Ne riippuvat ennen kaikkea lämpövesien esiintymisolosuhteista, niiden koostumuksesta ja järjestelmän suunnittelusta. Suuriin syvyyksiin poraus, suljetun järjestelmän luominen kahdella kaivolla, vedenpuhdistuksen tarve voi moninkertaistaa kustannukset.

Esimerkiksi petrotermisen kiertojärjestelmän (PCS) luomiseen tehtävien investointien arvoksi arvioidaan 1,6–4 tuhatta dollaria per 1 kW asennettua kapasiteettia, mikä ylittää ydinvoimalan rakentamiskustannukset ja on verrattavissa tuulivoiman rakentamisen kustannuksiin. aurinkovoimaloita.

GeoTPP:n ilmeinen taloudellinen etu on ilmainen energiansiirto. Vertailun vuoksi todettakoon, että käytössä olevan voimalaitoksen tai ydinvoimalaitoksen kustannusrakenteessa polttoaineen osuus on 50–80 % tai jopa enemmänkin, riippuen senhetkisestä energian hinnasta. Tästä johtuu toinen geotermisen järjestelmän etu: käyttökustannukset ovat vakaammat ja ennakoitavammat, koska ne eivät riipu energian hintojen ulkoisesta konjunktuurista. Yleisesti ottaen GeoTPP:n käyttökustannukset ovat arviolta 2–10 senttiä (60 kopekkaa – 3 ruplaa) 1 kWh tuotettua kapasiteettia kohden.

Toiseksi suurin (energian kantajan jälkeen) (ja erittäin merkittävä) menoerä on pääsääntöisesti tehtaan henkilöstön palkat, jotka voivat vaihdella radikaalisti maittain ja alueittain.

Keskimäärin 1 kWh geotermisen energian hinta on verrattavissa lämpövoimaloiden hintaan (Venäjän olosuhteissa - noin 1 rupla / 1 kWh) ja kymmenen kertaa korkeampi kuin sähkön tuotantokustannukset vesivoimalaitoksissa (5-10 kopekkaa / 1). kWh).

Osa syynä korkeisiin kustannuksiin on se, että toisin kuin lämpö- ja hydraulivoimaloissa, GeoTPP:n kapasiteetti on suhteellisen pieni. Lisäksi on tarpeen verrata samalla alueella ja samanlaisissa olosuhteissa sijaitsevia järjestelmiä. Esimerkiksi Kamtšatkassa asiantuntijoiden mukaan 1 kWh geotermistä sähköä maksaa 2-3 kertaa halvempaa kuin paikallisissa lämpövoimalaitoksissa tuotettu sähkö.

Maalämpöjärjestelmän taloudellisen tehokkuuden mittarit riippuvat esimerkiksi siitä, onko jätevettä tarpeen loppusijoittaa ja millä tavoin se tehdään, onko resurssin yhteiskäyttö mahdollista. Siten lämpövedestä uutetut kemialliset alkuaineet ja yhdisteet voivat tarjota lisätuloja. Muistellaanpa Larderellon esimerkkiä: kemian tuotanto oli siellä ensisijaista ja geotermisen energian käyttö oli aluksi aputoimintaa.

Geoterminen energia eteenpäin

Geoterminen energia kehittyy hieman eri tavalla kuin tuuli ja aurinko. Tällä hetkellä se riippuu suurelta osin itse resurssin luonteesta, joka vaihtelee jyrkästi alueittain, ja suurimmat pitoisuudet ovat sidottu kapeisiin geotermisten poikkeamien vyöhykkeisiin, jotka liittyvät yleensä tektonisten vaurioiden ja vulkanismin alueisiin.

Lisäksi maalämpö on teknisesti vähemmän kapasiteettista verrattuna tuuliin ja vielä enemmän aurinkoenergiaan: maalämpöasemien järjestelmät ovat melko yksinkertaisia.

Maailman sähköntuotannon kokonaisrakenteessa geotermisen komponentin osuus on alle 1 %, mutta joillakin alueilla ja maissa sen osuus on 25-30 %. Geologisiin olosuhteisiin liittyvän yhteyden vuoksi merkittävä osa geotermisen energian kapasiteetista keskittyy kolmannen maailman maihin, joissa erottuvat kolme alan suurimman kehityksen klusteria - Kaakkois -Aasian, Keski -Amerikan ja Itä -Afrikan saaret. Kaksi ensimmäistä aluetta sisältyvät Tyynenmeren "Maan tulivyöhykkeeseen", kolmas on sidottu Itä-Afrikan riftiin. Todennäköisesti geoterminen energia kehittyy edelleen näissä hihnoissa. Kaukaisempi mahdollisuus on petrotermisen energian kehittäminen käyttämällä maan kerrosten lämpöä useiden kilometrien syvyydessä. Tämä on lähes kaikkialla esiintyvä luonnonvara, mutta sen talteenotto vaatii korkeita kustannuksia, joten petroterminen energia kehittyy ensisijaisesti taloudellisesti ja teknisesti tehokkaimmissa maissa.

Yleisesti ottaen, kun otetaan huomioon geotermisen resurssien yleinen jakautuminen ja hyväksyttävä ympäristöturvallisuustaso, on syytä uskoa, että geotermisellä energialla on hyvät kehitysnäkymät. Varsinkin perinteisten energialähteiden pulariskin ja niiden hintojen nousun lisääntyessä.

Kamtšatkasta Kaukasiaan

Venäjällä geotermisen energian kehittämisellä on melko pitkä historia, ja monissa paikoissa olemme maailman johtajia, vaikka geotermisen energian osuus valtavan maan kokonaistaseesta on edelleen vähäinen.

Kahdesta alueesta - Kamtšatkasta ja Pohjois-Kaukasuksesta - on tullut Venäjän geotermisen energian kehittämisen pioneereja ja keskuksia, ja jos ensimmäisessä tapauksessa puhumme ensisijaisesti sähköteollisuudesta, niin toisessa - lämpöenergian käytöstä. lämpövedestä.

Pohjois-Kaukasiassa - Krasnodarin alueella, Tšetšeniassa, Dagestanissa - lämpövesien lämpöä energiatarkoituksiin käytettiin jo ennen suurta isänmaallista sotaa. 1980- ja 1990-luvuilla geotermisen energian kehitys alueella ilmeisistä syistä pysähtyi, eikä se ole vielä noussut pysähtyneisyydestä. Siitä huolimatta geoterminen vesihuolto Pohjois-Kaukasiassa tarjoaa lämpöä noin 500 tuhannelle ihmiselle, ja esimerkiksi Krasnodarin alueella sijaitseva Labinskin kaupunki, jonka väkiluku on 60 tuhatta, lämmitetään kokonaan geotermisillä vesillä.

Kamtšatkassa geotermisen energian historia liittyy ensisijaisesti GeoPP:ien rakentamiseen. Ensimmäiset, edelleen toimivat Pauzhetskaya ja Paratunskaya-asemat, rakennettiin vuosina 1965-1967, kun taas Paratunskaya GeoPP, jonka kapasiteetti oli 600 kW, tuli maailman ensimmäiseksi binäärisykliksi asemaksi. Tämä oli Neuvostoliiton tutkijoiden S.S.Kutateladzen ja A.M.Rosenfeldin kehitys Venäjän tiedeakatemian Siperian haaratoimiston termofysiikan instituutista, joka sai vuonna 1965 tekijän todistuksen sähkön erottamisesta vedestä, jonka lämpötila oli 70 ° C. Tästä tekniikasta tuli myöhemmin prototyyppi yli 400 binääriselle GeoPP: lle maailmassa.

Vuonna 1966 käyttöön otetun Pauzhetskaya GeoPP:n kapasiteetti oli aluksi 5 MW, minkä jälkeen se nostettiin 12 MW:iin. Tällä hetkellä asemalle on rakenteilla binäärilohko, joka lisää sen kapasiteettia vielä 2,5 MW.

Geotermisen energian kehitystä Neuvostoliitossa ja Venäjällä esti perinteisten energialähteiden - öljyn, kaasun, hiilen - saatavuus, mutta se ei koskaan pysähtynyt. Tällä hetkellä suurimmat geotermisen voimalaitokset ovat vuonna 1999 käyttöön otettu Verkhne-Mutnovskaya GeoPP, jonka kokonaiskapasiteetti on 12 MW, ja Mutnovskaya GeoPP, jonka teho on 50 MW (2002).

Mutnovskaya ja Verkhne-Mutnovskaya GeoPP:t ovat ainutlaatuisia esineitä ei vain Venäjällä, vaan myös maailmanlaajuisesti. Asemat sijaitsevat Mutnovsky-tulivuoren juurella 800 metrin korkeudessa merenpinnan yläpuolella ja toimivat äärimmäisissä ilmasto-olosuhteissa, joissa on talvi 9-10 kuukautta vuodessa. Mutnovsky GeoPP -laitteet, jotka ovat tällä hetkellä yksi maailman moderneimmista, on täysin luotu kotimaisissa sähkötekniikan yrityksissä.

Tällä hetkellä Mutnovsky-laitosten osuus Keski-Kamchatkan energiakeskuksen energiankulutuksen kokonaisrakenteesta on 40%. Kapasiteetin lisäystä on suunniteltu tulevina vuosina.

Erikseen on sanottava Venäjän petrotermisen kehityksestä. Meillä ei vielä ole suuria DSP:itä, mutta syväporaukseen (noin 10 km) on kehittyneitä tekniikoita, joilla ei myöskään ole analogeja maailmassa. Niiden jatkokehittäminen mahdollistaa petrotermisten järjestelmien luomisen kustannusten jyrkän pienentämisen. Näiden teknologioiden ja projektien kehittäjät ovat N. A. Gnatus, M. D. Khutorskoy (Geological Institute, RAS), A. S. Nekrasov (Institute of Economic Forecasting, RAS) ja Kalugan turbiinitehtaan asiantuntijat. Venäjän petrotermisen kiertojärjestelmän hanke on tällä hetkellä koevaiheessa.

Venäjällä on geotermisen näkymät, vaikkakin suhteellisen kaukana: potentiaali on tällä hetkellä melko suuri ja perinteisen energian asemat vahvat. Samaan aikaan maan useilla syrjäisillä alueilla geotermisen energian käyttö on taloudellisesti kannattavaa ja kysyntää jo nyt. Nämä ovat alueita, joilla on korkea geoenergeettinen potentiaali (Tšukotka, Kamtšatka, Kurilit - Tyynenmeren "Maan tulivyöhykkeen" venäläinen osa, Etelä-Siperian ja Kaukasuksen vuoret) ja samalla syrjäisiä ja erotettuja keskitetystä energiahuollosta.

Luultavasti tulevina vuosikymmeninä geoterminen energia kehittyy maassamme juuri tällaisilla alueilla.