Distribuția temperaturii în sol iarna. O conductă îngropată în pământ vă permite să economisiți la încălzirea și răcirea casei. Solul ca sursă de energie termică cu potențial scăzut
„Utilizarea energiei termice de calitate scăzută a pământului în sistemele cu pompe de căldură”
Vasiliev G.P., director științific al OJSC INSOLAR-INVEST, doctor în științe tehnice, președinte al Consiliului de administrație al OJSC INSOLAR-INVEST
N.V. Shilkin, inginer, NISF (Moscova)
Utilizarea rațională a combustibilului și a resurselor energetice astăzi reprezintă una dintre problemele mondiale globale, a cărei soluție cu succes, aparent, va fi de o importanță decisivă nu numai pentru dezvoltarea ulterioară a comunității mondiale, ci și pentru conservarea habitatului acesteia. Una dintre modalitățile promițătoare de a rezolva această problemă este aplicarea noilor tehnologii de economisire a energiei folosind surse de energie regenerabilă netradițională (NRES) Epuizarea rezervelor tradiționale de combustibili fosili și consecințele asupra mediului ale arderii acestora au condus la o creștere semnificativă a interesului pentru aceste tehnologii în aproape toate țările dezvoltate ale lumii în ultimele decenii.
Avantajele tehnologiilor de furnizare a căldurii care utilizează, în comparație cu analogii lor tradiționali, sunt asociate nu numai cu reduceri semnificative ale costurilor energetice în sistemele de susținere a vieții ale clădirilor și structurilor, ci și cu respectarea mediului înconjurător, precum și cu noi oportunități în domeniu. creşterea gradului de autonomie a sistemelor de susţinere a vieţii. Aparent, în viitorul apropiat, aceste calități vor avea o importanță decisivă în modelarea situației concurentiale pe piața echipamentelor generatoare de căldură.
Analiza posibilelor domenii de aplicare în economia rusă a tehnologiilor de economisire a energiei surse de energie netradiționale, arată că în Rusia cel mai promițător domeniu pentru implementarea lor sunt sistemele de susținere a vieții pentru clădiri. În același timp, utilizarea pe scară largă pare a fi o direcție foarte eficientă pentru introducerea tehnologiilor luate în considerare în practica construcțiilor casnice. sisteme de incalzire cu pompa de caldura (HST), folosind solul straturilor de suprafață ale Pământului ca sursă de căldură cu potențial scăzut accesibilă universal.
Când se utilizează Căldura Pământului Se pot distinge două tipuri de energie termică - cu potențial ridicat și cu potențial scăzut. Sursa de energie termică cu potențial ridicat sunt resursele hidrotermale – ape termale, încălzite ca urmare a proceselor geologice la o temperatură ridicată, ceea ce le permite să fie utilizate pentru încălzirea clădirilor. Cu toate acestea, utilizarea căldurii cu potențial ridicat de la Pământ este limitată la zonele cu anumiți parametri geologici. În Rusia, aceasta este, de exemplu, Kamchatka, regiunea apelor minerale caucaziene; În Europa, există surse de căldură cu potențial ridicat în Ungaria, Islanda și Franța.
Spre deosebire de utilizarea „directă” a căldurii de calitate superioară (resurse hidrotermale), utilizarea căldurii de grad scăzut de la Pământ utilizarea pompelor de căldură este posibilă aproape peste tot. În prezent, aceasta este una dintre cele mai dinamice domenii de utilizare. surse de energie regenerabile netradiționale.
Căldura de grad scăzut a Pământului poate fi folosit în diverse tipuri de clădiri și structuri în multe feluri: pentru încălzire, alimentare cu apă caldă, aer condiționat (răcire), căi de încălzire pe timp de iarnă, pentru prevenirea înghețului, încălzirea câmpurilor pe stadioane deschise etc. În literatura tehnică engleză, astfel de sisteme denumite „GHP” – „pompe de căldură geotermale”, pompe de caldura geotermale.
Caracteristicile climatice ale țărilor din Europa Centrală și de Nord, care, împreună cu SUA și Canada, sunt principalele zone de utilizare a căldurii de grad scăzut de pe Pământ, determină în principal nevoia de încălzire; răcire cu aer chiar și în perioada de vara Necesar relativ rar. Prin urmare, spre deosebire de SUA, pompe de calduraîn țările europene funcționează în principal în regim de încălzire. În SUA pompe de caldura sunt mai des folosite în sistemele de încălzire cu aer combinate cu ventilația, ceea ce permite atât încălzirea, cât și răcirea aerului exterior. ÎN ţările europene pompe de caldura utilizate de obicei în sistemele de încălzire a apei. Deoarece eficienta pompei de caldura crește pe măsură ce diferența de temperatură dintre evaporator și condensator scade;
Majoritate pompe de calduraîn Europa, concepute pentru a utiliza căldura de calitate scăzută de la Pământ, sunt echipate cu compresoare acționate electric.
În ultimii zece ani, numărul de sisteme care utilizează încălzire și răcire pentru clădiri căldură de grad scăzut Pământ prin pompe de caldura, a crescut semnificativ. Cel mai mare număr de astfel de sisteme este utilizat în SUA. Un număr mare de astfel de sisteme funcționează în Canada și în țările din centrul și nordul Europei: Austria, Germania, Suedia și Elveția. Elveția este lider în ceea ce privește utilizarea energiei termice de calitate scăzută a Pământului pe cap de locuitor. În Rusia, în ultimii zece ani, doar câteva obiecte au fost construite folosind tehnologie și cu participarea OJSC INSOLAR-INVEST, care este specializată în acest domeniu, dintre care cele mai interesante sunt prezentate.
La Moscova, în microdistrictul Nikulino-2, a fost construit de fapt pentru prima dată sistem de alimentare cu apă caldă cu pompă de căldură clădire de locuit cu mai multe etaje. Acest proiect a fost implementat în 1998-2002 de către Ministerul Apărării al Federației Ruse împreună cu Guvernul de la Moscova, Ministerul Industriei și Științei din Rusia, Asociația NP „ABOK” și în cadrul „Program de economisire a energiei pe termen lung la Moscova”.
Căldura solului din straturile de suprafață ale Pământului, precum și căldura aerului de ventilație îndepărtat, este folosită ca sursă de energie termică cu potențial scăzut pentru evaporatoarele pompelor de căldură. Instalația pentru pregătirea alimentării cu apă caldă se află la subsolul clădirii. Acesta include următoarele elemente principale:
- pompe de căldură cu compresie de vapori (HPU);
- rezervoare de stocare a apei calde;
- sisteme de colectare a energiei termice de calitate scăzută a solului și a căldurii de grad scăzut a aerului de ventilație îndepărtat;
- pompe de circulatie, echipamente de control si masura
Elementul principal de schimb de căldură al sistemului de colectare a căldurii solului de calitate scăzută sunt schimbătoarele de căldură solului de tip coaxial vertical, situate în exterior, de-a lungul perimetrului clădirii. Aceste schimbătoare de căldură constau din 8 puțuri, fiecare cu adâncimea de 32 până la 35 m, situate în apropierea casei. Deoarece modul de funcționare al pompelor de căldură folosind căldura pământului iar caldura aerului evacuat este constanta, iar consumul de apa calda este variabil, sistemul de alimentare cu apa calda este echipat cu rezervoare de stocare.
Datele care evaluează nivelul global de utilizare a energiei termice cu potențial scăzut a Pământului prin pompe de căldură sunt prezentate în tabel.
Tabel 1. Nivelul mondial de utilizare a energiei termice cu potențial scăzut a Pământului prin pompe de căldură
Solul ca sursă de energie termică cu potențial scăzut
Apele subterane cu o temperatură relativ scăzută sau straturile din sol de la suprafață (până la 400 m adâncime) ale Pământului pot fi folosite ca sursă de energie termică cu potențial scăzut. Conținutul de căldură al masei de sol este în general mai mare. Regimul termic al solului din straturile de suprafață ale Pământului se formează sub influența a doi factori principali - radiația solară incidentă la suprafață și fluxul de căldură radiogenă din interiorul pământului.. Modificările sezoniere și zilnice ale intensității radiației solare și ale temperaturii aerului exterior provoacă fluctuații ale temperaturii straturilor superioare ale solului. Adâncimea de pătrundere a fluctuațiilor zilnice ale temperaturii aerului exterior și intensitatea radiației solare incidente, în funcție de condițiile specifice solului și de climă, variază de la câteva zeci de centimetri până la un metru și jumătate. Adâncimea de penetrare a fluctuațiilor sezoniere ale temperaturii aerului exterior și intensitatea radiației solare incidente nu depășește, de regulă, 15-20 m.
Regimul de temperatură al straturilor de sol situate sub această adâncime („zona neutră”) se formează sub influența energiei termice provenite din intestinele Pământului și este practic independent de schimbările sezoniere și cu atât mai mult zilnice ale parametrilor climatul exterior (Fig. 1).
Orez. 1. Graficul modificărilor temperaturii solului în funcție de adâncime
Pe măsură ce adâncimea crește, temperatura solului crește în funcție de gradientul geotermal (aproximativ 3 grade C la fiecare 100 m). Mărimea fluxului de căldură radiogenă care vine din interiorul pământului variază pentru diferite zone. Pentru Europa Centrală această valoare este 0,05–0,12 W/m2.
În perioada de exploatare, masa de sol situată în zona de influență termică a registrului de conducte ale schimbătorului de căldură la sol al sistemului de captare a căldurii solului de grad scăzut (sistem de captare a căldurii), datorită schimbare sezonieră parametrii climatici externi, precum și sub influența sarcinilor operaționale asupra sistemului de colectare a căldurii, de regulă, este supus înghețului și dezghețului repetat. În acest caz, în mod natural, are loc o modificare a stării agregate a umidității conținute în porii solului și, în cazul general, atât în faza lichidă, cât și în faza solidă și gazoasă simultan. Cu alte cuvinte, masa de sol a sistemului de colectare a căldurii, indiferent de starea în care se află (înghețat sau dezghețat), este un sistem heterogen polidispers trifazic complex, al cărui schelet este format dintr-o cantitate imensă de particule solide. diverse formeși dimensiune și pot fi fie rigide, fie mobile, în funcție de faptul dacă particulele sunt ferm conectate între ele sau dacă sunt separate una de cealaltă printr-o substanță în faza mobilă. Spațiile dintre particulele solide pot fi umplute cu umiditate mineralizată, gaz, abur și gheață sau ambele. Modelarea proceselor de transfer de căldură și masă care formează regimul termic al unui astfel de sistem multicomponent este o sarcină extrem de complexă, deoarece necesită luarea în considerare și descrierea matematică a diferitelor mecanisme de implementare a acestora: conductivitatea termică într-o particulă individuală, transferul de căldură din o particulă la alta la contactul lor, conductivitatea termică moleculară în mediu care umple golurile dintre particule, convecția aburului și a umidității conținute în spațiul porilor și multe altele.
O atenție deosebită trebuie acordată influenței umidității masei solului și migrației umidității în spațiul său poros asupra proceselor termice care determină caracteristicile solului ca sursă de energie termică cu potențial scăzut.
În sistemele capilar-poroase, cum ar fi masa de sol a unui sistem de colectare a căldurii, prezența umidității în spațiul porilor are un efect vizibil asupra procesului de propagare a căldurii. Luarea corectă în considerare a acestei influențe astăzi este asociată cu dificultăți semnificative, care sunt asociate în primul rând cu lipsa unor idei clare despre natura distribuției fazelor solide, lichide și gazoase ale umidității într-o anumită structură a sistemului. Natura forțelor de legătură dintre umiditate și particulele scheletice și dependența formelor de legătură dintre umiditate și material de diverse etape umidificarea, mecanismul de mișcare a umidității în spațiul porilor.
Dacă există un gradient de temperatură în grosimea masei de sol, moleculele de vapori se deplasează în locuri cu un potențial de temperatură scăzut, dar, în același timp, sub influența forțelor gravitaționale, are loc un flux de umiditate direcționat opus în faza lichidă. În plus, umiditatea afectează regimul de temperatură al straturilor superioare ale solului. precipitatii atmosferice, precum și apele subterane.
Principalii factori sub influența cărora se formează regim de temperatură Sistemele masive de sol pentru colectarea căldurii solului cu potențial scăzut sunt prezentate în Fig. 2.
Orez. 2. Factori sub influența cărora se formează regimul de temperatură al solului
Tipuri de sisteme de utilizare a energiei termice cu potențial scăzut a Pământului
Schimbătoarele de căldură la sol se conectează echipamente cu pompa de caldura cu un masiv de sol. Pe lângă „extragerea” căldurii Pământului, schimbătoarele de căldură la sol pot fi folosite și pentru a acumula căldură (sau frig) într-o masă de sol.
În general, se pot distinge două tipuri de sisteme pentru utilizarea energiei termice cu potențial scăzut a Pământului::
- sisteme deschise: apa subterană furnizată direct pompelor de căldură este utilizată ca sursă de energie termică de calitate scăzută;
- sisteme închise: schimbătoarele de căldură sunt amplasate în masa solului; atunci când prin ele circulă un lichid de răcire cu o temperatură mai scăzută față de sol, energia termică este „selectată” din sol și transferată la evaporator pompa de caldura(sau, atunci când se folosește un lichid de răcire cu o temperatură mai mare față de sol, răcirea acestuia).
Partea principală a sistemelor deschise sunt puțurile care vă permit să extrageți apa subterană din acvifere și să returnați apa înapoi în aceleași acvifere. De obicei, puțurile pereche sunt instalate în acest scop. O diagramă a unui astfel de sistem este prezentată în Fig. 3.
Orez. 3. Schema unui sistem deschis de utilizare a energiei termice cu potențial scăzut a apelor subterane
Avantajul sistemelor deschise este capacitatea de a obține cantități mari de energie termică la costuri relativ mici. Cu toate acestea, puțurile necesită întreținere. În plus, utilizarea unor astfel de sisteme nu este posibilă în toate domeniile. Principalele cerințe pentru sol și apele subterane sunt următoarele:
- permeabilitate suficientă a solului, permițând refacerea rezervelor de apă;
- bun compozitia chimica apele subterane (de exemplu, conținut scăzut de fier), evitând problemele asociate cu depunerile și coroziunea țevilor.
Sistemele deschise sunt mai des folosite pentru a furniza încălzire sau răcire clădirilor mari. Cel mai mare sistem de pompă de căldură geotermală din lume folosește apele subterane ca sursă de energie termică de calitate scăzută. Acest sistem este situat în SUA în Louisville, Kentucky. Sistemul este utilizat pentru alimentarea cu căldură și rece a unui complex hotelier-birou; puterea sa este de aproximativ 10 MW.
Uneori, sistemele care folosesc căldura Pământului includ și sisteme care utilizează căldură de grad scăzut din corpurile de apă deschise, naturale și artificiale. Această abordare a fost adoptată, în special, în SUA. Sistemele care utilizează căldură de calitate scăzută din rezervoare sunt clasificate drept deschise, la fel ca sistemele care utilizează căldură de calitate scăzută din apele subterane.
Sistemele închise, la rândul lor, sunt împărțite în orizontale și verticale.
Schimbător de căldură la sol orizontal(în literatura engleză se folosesc și termenii „colector de căldură la sol” și „buclă orizontală”), de obicei, este instalat lângă casă la o adâncime mică (dar sub nivelul de îngheț al solului în timpul iernii). Utilizarea schimbătoarelor de căldură la sol orizontale este limitată de dimensiunea amplasamentului disponibil.
În țările din Europa de Vest și Centrală, schimbătoarele de căldură la sol orizontale sunt de obicei conducte individuale, așezate relativ strâns și conectate între ele în serie sau paralel (Fig. 4a, 4b). Pentru a economisi suprafața, au fost dezvoltate tipuri îmbunătățite de schimbătoare de căldură, de exemplu, schimbătoare de căldură în formă de spirală situate orizontal sau vertical (Fig. 4e, 4f). Această formă de schimbătoare de căldură este comună în SUA.
Orez. 4. Tipuri de schimbătoare de căldură la sol orizontale
a – schimbător de căldură din conducte conectate în serie;
b – schimbător de căldură realizat din conducte conectate în paralel;
c – colector orizontal așezat în șanț;
d – schimbător de căldură în formă de buclă;
d – schimbător de căldură sub formă de spirală situat orizontal (așa-numitul colector „slinky”);
e – schimbător de căldură sub formă de spirală situat vertical
Dacă un sistem cu schimbătoare de căldură orizontale este folosit doar pentru a produce căldură, funcționarea lui normală este posibilă numai dacă există suficient aport de căldură de la suprafața pământului datorită radiației solare. Din acest motiv, suprafața de deasupra schimbătoarelor de căldură trebuie expusă la lumina soarelui.
Schimbătoare de căldură la sol verticale(în literatura în limba engleză, denumirea „BHE” este acceptată - „schimbător de căldură foraj”) permit utilizarea energiei termice cu potențial scăzut a masei de sol situată sub „zona neutră” (10-20 m de la nivelul solului). Sistemele cu schimbatoare de caldura la sol verticale nu necesita suprafete mari si nu depind de intensitatea radiatiei solare incidenta la suprafata. Schimbătoarele verticale de căldură la sol funcționează eficient în aproape toate tipurile medii geologice, cu excepția solurilor cu conductivitate termică scăzută, cum ar fi nisipul uscat sau pietrișul uscat. Sistemele cu schimbătoare de căldură la sol verticale au devenit foarte răspândite.
Schema de încălzire și alimentare cu apă caldă pentru o clădire rezidențială cu un singur apartament care utilizează o instalație de pompă de căldură cu un schimbător de căldură la sol vertical este prezentată în Fig. 5.
Orez. 5. Schema de încălzire și alimentare cu apă caldă a unei clădiri rezidențiale cu un singur apartament folosind o instalație de pompă de căldură cu un schimbător de căldură la sol vertical
Lichidul de răcire circulă prin conducte (de cele mai multe ori polietilenă sau polipropilenă) așezate în puțuri verticale cu o adâncime de 50 până la 200 m. Se folosesc de obicei două tipuri de schimbătoare de căldură la sol (Fig. 6):
- Schimbător de căldură în formă de U, format din două țevi paralele conectate în partea de jos. Una sau două (mai rar trei) perechi de astfel de țevi sunt amplasate într-un puț. Avantajul acestei scheme este costul relativ scăzut de producție. Schimbătoarele de căldură dublu U sunt cel mai utilizat tip de schimbător de căldură vertical la sol în Europa.
- Schimbător de căldură coaxial (concentric). Cel mai simplu schimbător de căldură coaxial este format din două conducte de diametre diferite. O conductă de diametru mai mic este situată în interiorul unei alte conducte. Schimbătoarele de căldură coaxiale pot avea configurații mai complexe.
Orez. 6. Sectiunea diverse tipuri schimbătoare de căldură verticale la sol
Pentru a crește eficiența schimbătoarelor de căldură, spațiul dintre pereții puțului și țevi este umplut cu materiale speciale conductoare de căldură.
Sistemele cu schimbătoare de căldură la sol verticale pot fi utilizate pentru a furniza încălzire și răcire clădirilor de diferite dimensiuni. Pentru o clădire mică, un schimbător de căldură este suficient; pentru clădirile mari, poate fi necesară instalarea unui întreg grup de puțuri cu schimbătoare de căldură verticale. Cel mai mare număr de puțuri din lume este folosit în sistemul de alimentare cu încălzire și răcire al Colegiului Richard Stockton din SUA, în statul New Jersey. Schimbătoarele de căldură verticale ale acestui colegiu sunt amplasate în 400 de puțuri cu o adâncime de 130 m în Europa cel mai mare număr puțurile (154 puțuri cu o adâncime de 70 m) sunt utilizate în sistemul de alimentare cu încălzire și răcire al biroului central al Controlului Traficului Aerian din Germania („Deutsche Flug-sicherung”).
Un caz special de sisteme închise verticale este utilizarea structurilor clădirii ca schimbătoare de căldură la sol, de exemplu piloți de fundație cu conducte încorporate. Secțiunea transversală a unei astfel de grămezi cu trei circuite ale unui schimbător de căldură la sol este prezentată în Fig. 7.
Orez. 7. Diagrama schimbătoarelor de căldură la sol încorporate în piloții de fundație ai unei clădiri și secțiunea transversală a unei astfel de grămadă
Masa solului (în cazul schimbătoarelor de căldură la sol verticale) și structurile clădirii cu schimbătoare de căldură la sol pot fi utilizate nu numai ca sursă, ci și ca acumulator natural de energie termică sau „rece”, de exemplu, căldura solară. radiatii.
Există sisteme care nu pot fi clasificate clar ca deschise sau închise. De exemplu, aceeași fântână adâncă (adâncime de la 100 la 450 m) umplută cu apă poate fi atât producție, cât și injecție. Diametrul puțului este de obicei de 15 cm O pompă este plasată în partea inferioară a puțului, prin care apa din puț este furnizată către evaporatoarele pompei de căldură. Apa de retur se întoarce în partea de sus a coloanei de apă în aceeași fântână. Fântâna este reîncărcată constant cu apă subterană, iar sistemul deschis funcționează ca unul închis. Sistemele de acest tip în literatura engleză sunt denumite „sisteme de puțuri de coloană în picioare” (Fig. 8).
Orez. 8. Schema unei puțuri de tip „puț de coloană în picioare”.
În mod obișnuit, puțurile de acest tip sunt folosite și pentru a furniza apă potabilă clădirilor.. Cu toate acestea, un astfel de sistem poate funcționa eficient doar în soluri care asigură alimentarea constantă cu apă fântânii, ceea ce împiedică înghețarea acesteia. Dacă acviferul se află prea adânc, va fi necesară o pompă puternică pentru funcționarea normală a sistemului, ceea ce necesită un consum crescut de energie. Adâncimea mare a puțului determină costul destul de ridicat al unor astfel de sisteme, astfel încât acestea nu sunt utilizate pentru alimentarea cu căldură și rece a clădirilor mici. În prezent, există mai multe astfel de sisteme care funcționează în lume în SUA, Germania și Europa.
Una dintre direcțiile promițătoare este utilizarea apei din mine și tuneluri ca sursă de energie termică cu potențial scăzut. Temperatura acestei ape este constantă pe tot parcursul anului. Apa din mine și tuneluri este ușor accesibilă.
„Durabilitatea” sistemelor de utilizare a căldurii de calitate scăzută de pe Pământ
La funcționarea unui schimbător de căldură la sol, poate apărea o situație când, în timpul sezonului de încălzire, temperatura solului din apropierea schimbătorului de căldură la sol scade, iar vara solul nu are timp să se încălzească la temperatura inițială - potențialul său de temperatură scade. . Consumul de energie în următorul sezon de încălzire face ca temperatura solului să scadă și mai mult, iar potențialul său de temperatură este și mai redus. Acest lucru forțează la proiectarea sistemelor utilizarea căldurii de slabă calitate a Pământului luați în considerare problema „sustenabilității” unor astfel de sisteme. Resursele energetice sunt adesea folosite foarte intens pentru a reduce perioada de amortizare a echipamentelor, ceea ce poate duce la epuizarea rapidă a acestora. Prin urmare, este necesar să se mențină un nivel de producție de energie care să permită exploatarea sursei de resurse energetice pentru o perioadă lungă de timp. Această capacitate a sistemelor de a menține nivelul necesar de producție de energie termică pe o perioadă lungă de timp se numește „durabilitate”. Pentru sistemele cu potenţial scăzut Căldura Pământului este dată următoarea definiție a durabilității: „Pentru fiecare sistem de utilizare a căldurii de grad scăzut al Pământului și pentru fiecare mod de funcționare al acestui sistem, există un anumit nivel maxim de producție de energie; Producția de energie sub acest nivel poate fi menținută o perioadă lungă de timp (100-300 de ani).
Desfasurat in OJSC „INSOLAR-INVEST” studiile au arătat că consumul de energie termică din masa solului la sfârșitul sezonului de încălzire determină o scădere a temperaturii solului în apropierea registrului conductelor sistemului de captare a căldurii, ceea ce în condițiile solului și climatice ale majorității teritoriului a Rusiei nu are timp să fie compensat în perioada de vară a anului, iar până la începutul următorului sezon de încălzire, solul pleacă cu potențial de temperatură redus. Consumul de energie termică în următorul sezon de încălzire determină o scădere suplimentară a temperaturii solului, iar până la începutul celui de-al treilea sezon de încălzire potenţialul său de temperatură diferă şi mai mult de cel natural. Și așa mai departe. Cu toate acestea, anvelopele influenței termice a funcționării pe termen lung a sistemului de captare a căldurii asupra regimului natural de temperatură al solului au un caracter exponențial pronunțat, iar până în al cincilea an de funcționare solul ajunge la un nou regim, apropiat de periodic, adică, începând cu al cincilea an de funcționare, consumul pe termen lung de energie termică din sistemele de captare a căldurii în masa solului este însoțit de modificări periodice ale temperaturii acestuia. Astfel, la proiectare sisteme de incalzire cu pompa de caldura Pare necesar să se țină cont de scăderea temperaturilor masei de sol cauzată de mulți ani de funcționare a sistemului de captare a căldurii și să se utilizeze ca parametri de proiectare temperaturile masei de sol preconizate pentru al 5-lea an de funcționare a TST.
În sisteme combinate, folosit atât pentru alimentarea cu căldură, cât și pentru frig, echilibrul termic este setat „automat”: iarna (este necesară alimentarea cu căldură), masa de sol este răcită, în ora de vara(necesită refrigerare) – încălzirea masei de sol. În sistemele care utilizează căldura de grad scăzut a apelor subterane, există o completare constantă a rezervelor de apă din cauza apei care se scurge de la suprafață și a apei care provine din straturile mai adânci ale solului. Astfel, conținutul de căldură al apei subterane crește atât „de sus” (datorită căldurii aerul atmosferic), și „de jos” (datorită căldurii Pământului); Cantitatea de aport de căldură „de sus” și „de jos” depinde de grosimea și adâncimea acviferului. Datorită acestor aporturi de căldură, temperatura apei subterane rămâne constantă pe tot parcursul sezonului și se modifică puțin în timpul funcționării.
În sistemele cu schimbătoare de căldură la sol verticale, situația este diferită. Când căldura este îndepărtată, temperatura solului din jurul schimbătorului de căldură la sol scade. Scăderea temperaturii este afectată atât de caracteristicile de proiectare ale schimbătorului de căldură, cât și de modul său de funcționare. De exemplu, în sistemele cu valori mari de disipare a energiei termice (câteva zeci de wați pe metru de lungime a schimbătorului de căldură) sau în sistemele cu un schimbător de căldură la sol situat în sol cu conductivitate termică scăzută (de exemplu, în nisip uscat sau uscat pietriș), scăderea temperaturii va fi deosebit de vizibilă și poate duce la înghețarea masei de sol din jurul schimbătorului de căldură din sol.
Experții germani au măsurat temperatura masei de sol în care a fost instalat un schimbător de căldură la sol vertical de 50 m adâncime, situat în apropiere de Frankfurt pe Main. Pentru a face acest lucru, în jurul puțului principal au fost forate 9 puțuri de aceeași adâncime la o distanță de 2,5, 5 și 10 m. În toate cele zece sonde au fost instalați senzori la fiecare 2 m pentru a măsura temperatura - un total de 240 de senzori. În fig. Figura 9 prezintă diagrame care prezintă distribuția temperaturilor în masa solului în jurul unui schimbător de căldură vertical la sol la începutul și la sfârșitul primului sezon de încălzire. La sfârșitul sezonului de încălzire, se observă clar o scădere a temperaturii masei solului din jurul schimbătorului de căldură. Are loc un flux de căldură direcționat către schimbătorul de căldură din masa de sol din jur, care compensează parțial scăderea temperaturii solului cauzată de „eliminarea” căldurii. Mărimea acestui debit, în comparație cu mărimea fluxului de căldură din interiorul pământului într-o zonă dată (80–100 mW/mp), este estimată destul de mare (câțiva wați pe metru pătrat).
Orez. 9. Scheme de distribuție a temperaturii în masa solului în jurul unui schimbător de căldură vertical la sol la începutul și sfârșitul primului sezon de încălzire
Deoarece schimbătoarele de căldură verticale au început să devină relativ răspândite cu aproximativ 15-20 de ani în urmă, există o lipsă de date experimentale în întreaga lume, obținute în funcționarea lungă (câteva decenii) a sistemelor cu schimbătoare de căldură de acest tip. Se pune întrebarea despre stabilitatea acestor sisteme, despre fiabilitatea lor pe perioade lungi de funcționare. Este căldura de slabă calitate a Pământului o sursă regenerabilă de energie? Care este perioada de „reînnoire” a acestei surse?
Când operează o școală rurală în Regiunea Yaroslavl, echipat sistem pompa de caldura utilizând un schimbător de căldură la sol vertical, valorile medii de îndepărtare a căldurii specifice au fost la nivelul de 120-190 W/liniar. m lungimea schimbătorului de căldură.
Din 1986, s-au efectuat cercetări asupra unui sistem cu schimbătoare de căldură verticale la sol în Elveția, lângă Zurich. În masa solului a fost instalat un schimbător de căldură de tip coaxial vertical, cu o adâncime de 105 m. Acest schimbător de căldură a fost folosit ca sursă de energie termică de calitate scăzută pentru un sistem de pompă de căldură instalat într-o clădire rezidențială cu un singur apartament. Schimbătorul de căldură la sol vertical a furnizat o putere de vârf de aproximativ 70 W pe metru lungime, creând o sarcină termică semnificativă asupra masei solului înconjurător. Producția anuală de energie termică este de aproximativ 13 MWh
La o distanță de 0,5 și 1 m de puțul principal au fost forate două puțuri suplimentare, în care au fost instalați senzori de temperatură la adâncimea de 1, 2, 5, 10, 20, 35, 50, 65, 85 și 105 m, după care puțurile au fost umplute cu amestec de argilă-ciment. Temperaturile au fost măsurate la fiecare treizeci de minute. Pe lângă temperatura solului, au fost înregistrați și alți parametri: viteza lichidului de răcire, consumul de energie de către antrenarea compresorului pompei de căldură, temperatura aerului etc.
Prima perioadă de observare a durat din 1986 până în 1991. Măsurătorile au arătat că influența căldurii aerului exterior și a radiației solare se observă în stratul de suprafață al solului la o adâncime de până la 15 m Sub acest nivel, regimul termic al solului se formează în principal din cauza căldurii din interiorul pământului. În primii 2-3 ani de funcționare temperatura solului din jurul schimbătorului de căldură vertical a scăzut brusc, dar în fiecare an temperatura a scăzut, iar după câțiva ani sistemul a ajuns la un regim aproape constant, când temperatura masei de sol din jurul schimbătorului de căldură a devenit cu 1–2 °C mai mică decât unul original.
În toamna anului 1996, la zece ani după ce sistemul a început să funcționeze, măsurătorile au fost reluate. Aceste măsurători au arătat că temperatura solului nu s-a schimbat semnificativ. În anii următori, s-au înregistrat ușoare fluctuații ale temperaturii solului cu 0,5 grade C în funcție de sarcina anuală de încălzire. Astfel, sistemul a ajuns într-un mod cvasi-staționar după primii câțiva ani de funcționare.
Pe baza datelor experimentale, au fost construite modele matematice ale proceselor care au loc în masa solului, care au făcut posibilă realizarea unei prognoze pe termen lung a schimbărilor de temperatură a masei solului.
Modelarea matematică a arătat că scăderea anuală a temperaturii va scădea treptat, iar volumul masei solului din jurul schimbătorului de căldură, supus scăderii temperaturii, va crește în fiecare an. La sfârșitul perioadei de funcționare începe procesul de regenerare: temperatura solului începe să crească. Natura procesului de regenerare este similară cu natura procesului de „selectare” a căldurii: în primii ani de funcționare are loc o creștere bruscă a temperaturii solului, iar în anii următori rata de creștere a temperaturii scade. Durata perioadei de „regenerare” depinde de durata perioadei de funcționare. Aceste două perioade sunt aproximativ aceleași. În cazul în cauză, perioada de funcționare a schimbătorului de căldură la sol a fost de treizeci de ani, iar perioada de „regenerare” este de asemenea estimată la treizeci de ani.
Astfel, sistemele de încălzire și răcire pentru clădirile care utilizează căldură de calitate scăzută de la Pământ reprezintă o sursă de încredere de energie care poate fi folosită peste tot. Această sursă poate fi folosită destul de mult timp și poate fi reînnoită la sfârșitul perioadei de funcționare.
Literatură
1. Rybach L. Starea și perspectivele pompelor de căldură geotermale (GHP) în Europa și în întreaga lume; aspectele de sustenabilitate ale GHPs. Curs internațional de pompe de căldură geotermale, 2002
2. Vasiliev G.P., Krundyshev N.S. Școală rurală eficientă energetic din regiunea Yaroslavl. ABOK nr. 5, 2002
3. Sanner B. Surse de căldură la sol pentru pompe de căldură (clasificare, caracteristici, avantaje). 2002
4. Rybach L. Starea și perspectivele pompelor de căldură geotermale (GHP) în Europa și în întreaga lume; aspectele de sustenabilitate ale GHPs. Curs internațional de pompe de căldură geotermale, 2002
5. Grupul de lucru ORKUSTOFNUN, Islanda (2001): Producția durabilă de energie geotermală – definiție sugerată. Stiri IGA nr. 43, ianuarie-martie 2001, 1-2
6. Rybach L., Sanner B. Sisteme de pompe de căldură terestre – cel european experienţă. GeoHeat- Center Bull. 21/1, 2000
7. Economisirea energiei cu pompele de căldură rezidențiale în climate reci. Maxi Brosura 08. CADDET, 1997
8. Atkinson Schaefer L. Analiza pompei de căldură cu absorbție unică de presiune. O disertație prezentată Facultății Academice. Institutul de Tehnologie din Georgia, 2000
9. Morley T. Motorul termic inversat ca mijloc de încălzire a clădirilor, The Engineer 133: 1922
10. Fearon J. Istoria și dezvoltarea pompei de căldură, Refrigerare și Aer condiționat. 1978
11. Vasiliev G.P. Clădiri eficiente energetic cu sisteme de încălzire cu pompă de căldură. Revista Locuințe și Utilități Publice, Nr. 12, 2002
12. Orientări pentru utilizarea pompelor de căldură care utilizează resurse de energie secundară și surse de energie regenerabile netradiționale. Moskomarkhitektura. Întreprinderea Unitară de Stat „NIAC”, 2001
13. Clădire rezidențială eficientă din punct de vedere energetic din Moscova. ABOK nr. 4, 1999
14. Vasiliev G.P. Clădire rezidențială experimentală eficientă din punct de vedere energetic din microdistrictul Nikulino-2. ABOK nr. 4, 2002
Colectorii verticali extrag energia din sol folosind sonde geotermale de pământ. Acestea sunt sisteme închise cu puțuri cu diametrul de 145-150mm și adâncimea de 50 până la 150m, prin care sunt pozate conducte. Un cot de retur în U este instalat la capătul conductei. De obicei, instalarea se realizează folosind o sondă cu un singur circuit cu 2x țevi d40 („sistem suedez”) sau o sondă cu dublu circuit cu 4x țevi d32. Sondele cu dublu circuit ar trebui să obțină o extracție de căldură cu 10-15% mai mare. Pentru sondele mai adânci de 150 m, trebuie folosite conducte 4xd40 (pentru a reduce pierderea de presiune).
În prezent cele mai multe puțurile pentru extragerea căldurii din pământ au o adâncime de 150 m La adâncimi mai mari se poate obține mai multă căldură, dar costurile unor astfel de puțuri vor fi foarte mari. Prin urmare, este important să se calculeze în avans costurile instalării unui colector vertical în comparație cu economiile așteptate în viitor. În cazul instalării unui sistem de răcire activ-pasiv nu se realizează puțuri mai adânci din cauza temperaturii mai ridicate din sol și a potențialului mai scăzut în momentul degajării căldurii din soluție. mediu. În sistem circulă un amestec antigel (alcool, glicerină, glicol), diluat cu apă până la consistența dorită de antigel. Într-o pompă de căldură, aceasta transferă căldura preluată de la sol către un agent frigorific. Temperatura pământului la o adâncime de 20 m este de aproximativ 10°C și crește cu 1°C la fiecare 30m. Ea nu este influențată conditiile climaticeși, prin urmare, puteți conta pe o selecție de energie de înaltă calitate atât iarna, cât și vara. De adăugat că temperatura din sol este puțin diferită la începutul sezonului (septembrie-octombrie) față de temperatura de la sfârșitul sezonului (martie-aprilie). Prin urmare, atunci când se calculează adâncimea colectoarelor verticale, este necesar să se țină cont de durata sezonului de încălzire la locul de instalare.
La colectarea căldurii folosind sonde verticale geotermale, calculele corecte și proiectarea colectoarelor sunt foarte importante. Pentru a efectua calcule competente, trebuie să știți dacă este posibil să găuriți la locul de instalare la adâncimea dorită.
Pentru o pompă de căldură cu o putere de 10kW este nevoie de aproximativ 120-180 m de puț. Puțurile trebuie amplasate la cel puțin 8 m una de cealaltă. Numărul și adâncimea puțurilor depind de condițiile geologice, disponibilitate ape subterane, capacitatea solului de a reține căldura și tehnologia de foraj. Când forați mai multe puțuri, lungimea totală dorită a puțului va fi împărțită la numărul de puțuri.
Avantajul unui colector vertical față de unul orizontal este o suprafață mai mică de teren de utilizat, o sursă de căldură mai stabilă și independența sursei de căldură față de conditiile meteo. Dezavantajul colectoarelor verticale este costul ridicat al lucrărilor de excavare și răcirea treptată a pământului în apropierea colectorului (sunt necesare calcule adecvate ale puterii necesare în timpul proiectării).
Calculul adâncimii necesare a sondei
Informații necesare pentru calculul preliminar al adâncimii și numărului de puțuri:
Puterea pompei de caldura
Tip de încălzire selectat - „pardoseli calde”, calorifere, combinate
Numărul estimat de ore de funcționare a pompei de căldură pe an, acoperind necesarul de energie
Locul de instalare
Utilizare fântână geotermală- încălzire, încălzire cu apă caldă, încălzire sezonieră a piscinei, încălzire a piscinei pe tot parcursul anului
Utilizarea funcției de răcire pasivă (activă) într-un obiect
Consumul anual total de căldură pentru încălzire (MW/h)
Temperatura din interiorul Pământului. Determinarea temperaturii în învelișurile Pământului se bazează pe diverse date, adesea indirecte. Cele mai fiabile date de temperatură sunt în partea de sus scoarta terestra, deschis de mine și foraje la adâncimi de maxim 12 km (fântâna Kola).
Se numește creșterea temperaturii în grade Celsius pe unitatea de adâncime gradient geotermal,și adâncimea în metri, timp în care temperatura crește cu 1 0 C - etapa geotermală. Gradientul geotermal și, în consecință, treapta geotermală variază de la un loc la altul în funcție de condițiile geologice, de activitatea endogenă în diferite zone, precum și de conductibilitatea termică neuniformă. stânci. Mai mult, conform lui B. Gutenberg, limitele fluctuațiilor diferă de peste 25 de ori. Un exemplu în acest sens sunt două pante puternic diferite: 1) 150 o pe 1 km în Oregon (SUA), 2) 6 o pe 1 km înregistrat în Africa de Sud. Conform acestor gradienți geotermici, treapta geotermală se modifică și de la 6,67 m în primul caz la 167 m în al doilea. Cele mai frecvente fluctuații de gradient sunt în intervalul 20-50 o, iar treapta geotermală este de 15-45 m. Gradientul geotermal mediu a fost de mult acceptat la 30 o C la 1 km.
Potrivit lui V.N. Zharkov, gradientul geotermal de lângă suprafața Pământului este estimat la 20 o C la 1 km. Pe baza acestor două valori ale gradientului geotermal și a constanței sale adânc în Pământ, atunci la o adâncime de 100 km ar trebui să existe o temperatură de 3000 sau 2000 o C. Cu toate acestea, aceasta este în contradicție cu datele reale. La aceste adâncimi apar periodic camere de magmă, din care lava curge la suprafață, având temperatura maxima 1200-1250 o. Luând în considerare acest „termometru” deosebit, un număr de autori (V.A. Lyubimov, V.A. Magnitsky) consideră că la o adâncime de 100 km temperatura nu poate depăși 1300-1500 o C.
Cu mai mult temperaturi ridicate rocile de manta ar fi complet topite, ceea ce contrazice trecerea liberă a undelor seismice de forfecare. Astfel, gradientul geotermal mediu poate fi urmărit doar la o anumită adâncime relativ mică de la suprafață (20-30 km), iar apoi ar trebui să scadă. Dar chiar și în acest caz, în același loc, schimbarea temperaturii cu adâncimea este neuniformă. Acest lucru poate fi văzut în exemplul schimbărilor de temperatură cu adâncimea de-a lungul puțului Kola, situat în cadrul scutului cristalin stabil al platformei. La așezarea acestei puțuri, ei se așteptau la un gradient geotermal de 10 o la 1 km și, prin urmare, la adâncimea de proiectare (15 km) se așteptau la o temperatură de ordinul a 150 o C. Cu toate acestea, un astfel de gradient a fost doar până la un adâncimea de 3 km, iar apoi a început să crească de 1,5 -2,0 ori. La o adâncime de 7 km temperatura era de 120 o C, la 10 km -180 o C, la 12 km -220 o C. Se presupune că la adâncimea de proiectare temperatura va fi apropiată de 280 o C. Al doilea exemplu sunt date de la o sondă situată în regiunea Severny, regiunea Caspică, în zona unui regim endogen mai activ. În ea, la o adâncime de 500 m, temperatura s-a dovedit a fi de 42,2 o C, la 1500 m - 69,9 o C, la 2000 m - 80,4 o C, la 3000 m - 108,3 o C.
Care este temperatura în zonele mai adânci ale mantalei și nucleului Pământului? S-au obţinut date mai mult sau mai puţin sigure despre temperatura bazei stratului B al mantalei superioare (vezi Fig. 1.6). Potrivit lui V.N. Zharkov, „studiile detaliate ale diagramei de fază Mg 2 SiO 4 - Fe 2 Si0 4 au făcut posibilă determinarea temperaturii de referință la o adâncime corespunzătoare primei zone de tranziții de fază (400 km)” (adică, tranziția. de olivină la spinel). Temperatura de aici, ca rezultat al acestor studii, este de aproximativ 1600 50 o C.
Problema distribuției temperaturilor în mantaua de sub stratul B și miezul Pământului nu a fost încă rezolvată și, prin urmare, au fost exprimate idei diferite. Se poate presupune doar că temperatura crește odată cu adâncimea cu o scădere semnificativă a gradientului geotermal și o creștere a treptei geotermale. Se presupune că temperatura în miezul Pământului este în intervalul 4000-5000 o C.
Compoziția chimică medie a Pământului. Pentru a judeca compoziția chimică a Pământului, se folosesc date despre meteoriți, care sunt cele mai probabile mostre de material protoplanetar din care s-au format planetele terestre și asteroizii. Până acum, multe dintre lucrurile care au căzut pe Pământ au fost bine studiate. timpuri diferiteși în diferite locuri de meteoriți. Pe baza compoziției lor, există trei tipuri de meteoriți: 1) fier, constând în principal din nichel fier (90-91% Fe), cu un mic amestec de fosfor și cobalt; 2) piatră de fier(sideroliți), constând din minerale de fier și silicați; 3) piatră, sau aeroliți, constând în principal din silicaţi fero-magneziani şi incluziuni de fier nichel.
Cei mai des întâlniți sunt meteoriții de piatră - aproximativ 92,7% din toate descoperirile, fier-piatră 1,3% și fier 5,6%. Meteoriții de piatră se împart în două grupe: a) condrite cu granule mici rotunjite - condrule (90%); b) acondrite care nu contin condrule. Compoziția meteoriților pietroși este apropiată de rocile magmatice ultramafice. Potrivit lui M. Bott, acestea conțin aproximativ 12% fază fier-nichel.
Pe baza unei analize a compoziției diverșilor meteoriți, precum și a datelor experimentale geochimice și geofizice obținute, un număr de cercetători oferă o evaluare modernă a compoziției elementare brute a Pământului, prezentată în tabel. 1.3.
După cum se poate observa din datele din tabel, abundența crescută se referă la cele mai importante patru elemente - O, Fe, Si, Mg, reprezentând peste 91%. Grupul de elemente mai puțin comune include Ni, S, Ca, A1. Alte elemente tabel periodic Mendeleev în la scară globală din punct de vedere al distribuţiei generale au o importanţă secundară. Dacă comparăm datele date cu compoziția scoarței terestre, o diferență semnificativă este clar vizibilă, constând într-o scădere bruscă a O, A1, Si și o creștere semnificativă a Fe, Mg și apariția unor cantități vizibile de S și Ni. .
Forma Pământului se numește geoid. Structura profundă a Pământului este judecată de undele seismice longitudinale și transversale, care, propagăndu-se în interiorul Pământului, experimentează refracția, reflexia și atenuarea, ceea ce indică stratificarea Pământului. Există trei domenii principale:
scoarța terestră;
mantaua: sus până la o adâncime de 900 km, mai jos până la o adâncime de 2900 km;
nucleul exterior al Pământului la o adâncime de 5120 km, nucleul interior la o adâncime de 6371 km.
Căldura internă a Pământului este asociată cu dezintegrarea elementelor radioactive - uraniu, toriu, potasiu, rubidiu etc. Valoarea medie a fluxului de căldură este de 1,4-1,5 µcal/cm2.s.
1. Care este forma și dimensiunea Pământului?
2. Ce metode există pentru studierea structurii interne a Pământului?
3. Care este structura internă a Pământului?
4. Ce secțiuni seismice de ordinul întâi sunt identificate clar atunci când se analizează structura Pământului?
5. Care sunt limitele secțiunilor Mohorovicic și Gutenberg?
6. Care este densitatea medie a Pământului și cum se schimbă ea la limita mantalei și a miezului?
7. Cum se modifică fluxul de căldură în diferite zone? Cum se înțelege schimbarea gradientului geotermal și a treptei geotermale?
8. Ce date sunt folosite pentru a determina compoziția chimică medie a Pământului?
Literatură
-
Voitkevich G.V. Fundamentele teoriei originii Pământului. M., 1988.
-
Zharkov V.N. Structura internă Pământul și planetele. M., 1978.
-
Magnitsky V.A. Structura internă și fizica Pământului. M., 1965.
-
eseuri planetologie comparată. M., 1981.
-
Ringwood A.E. Compoziția și originea Pământului. M., 1981.