Temperatura solului la o adâncime de 1 metru carte de referință. Căldura pământului. Calculul adâncimii necesare a sondei
Acasă
Descriere: Spre deosebire de utilizarea „directă” a căldurii geotermale cu potențial ridicat (resurse hidrotermale), utilizarea solului din straturile de suprafață ale Pământului ca sursă de energie cu potențial scăzut. energie termică
pentru sistemele de încălzire cu pompă de căldură geotermală (GHSS) este posibil aproape peste tot. În prezent, în lume, aceasta este una dintre cele mai dinamice domenii de utilizare a surselor de energie regenerabilă netradițională.
Sistemele de alimentare cu căldură cu pompă de căldură geotermală și eficiența utilizării lor în condițiile climatice ale Rusiei G. P. Vasiliev
, director științific al OJSC „INSOLAR-INVEST”
Spre deosebire de utilizarea „directă” a căldurii geotermale cu potențial ridicat (resurse hidrotermale), utilizarea solului din straturile de suprafață ale Pământului ca sursă de energie termică cu potențial scăzut pentru sistemele de alimentare cu căldură cu pompe de căldură geotermale (GHST) este posibil aproape peste tot. În prezent, în lume, aceasta este una dintre cele mai dinamice domenii de utilizare a surselor de energie regenerabilă netradițională. Solul straturilor de suprafață ale Pământului este de fapt un acumulator termic de putere nelimitată. Regimul termic al solului se formează sub influența a doi factori principali - radiația solară incidentă la suprafață și fluxul de căldură radiogenă din intestinele pământului. Modificările sezoniere și zilnice ale intensității radiației solare și ale temperaturii aerului exterior provoacă fluctuații ale temperaturii straturilor superioare ale solului. Adâncimea de penetrare a fluctuațiilor zilnice ale temperaturii aerului exterior și intensitatea radiației solare incidente, în funcție de sol- conditiile climatice
Regimul termic al straturilor de sol situate sub această adâncime („zona neutră”) se formează sub influența energiei termice provenite din intestinele Pământului și practic nu depinde de schimbările sezoniere și cu atât mai mult zilnice ale parametrilor climatul exterior (Fig. 1). Pe măsură ce adâncimea crește, temperatura solului crește și în funcție de gradientul geotermal (aproximativ 3 °C la fiecare 100 m). Mărimea fluxului de căldură radiogenă care vine din interiorul pământului variază pentru diferite zone. De regulă, această valoare este de 0,05–0,12 W/m2.
Figura 1. |
În timpul funcționării GTST, masa de sol situată în zona de influență termică a registrului conductelor schimbătorului de căldură din sol al sistemului de colectare căldură de grad scăzut solul (sistemul de colectare a căldurii), datorită modificărilor sezoniere ale parametrilor climatului extern, precum și sub influența sarcinilor operaționale asupra sistemului de colectare a căldurii, este de obicei 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. Mai mult, în sistemele capilar-poroase, cum ar fi masa de sol a sistemului 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. Dacă există un gradient de temperatură în grosimea masei de sol, moleculele de vapori de apă 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, pe regim de temperatură straturile superioare ale solului sunt afectate de umiditate precipitatii atmosferice
, precum și apele subterane. La trăsăturile caracteristice sistemele de colectare a căldurii din sol ca obiect de proiectare ar trebui să includă și așa-numita „incertitudine informativă” a modelelor matematice care descriu astfel de procese sau, cu alte cuvinte, lipsa de informații fiabile despre efectele asupra sistemului de mediu (atmosfera și solul). masa situată în afara zonei de influență termică a schimbătorului de căldură din sol al sistemului de colectare a căldurii) și complexitatea extremă a aproximării acestora. Într-adevăr, dacă aproximarea impacturilor asupra sistemului climatic extern, deși complexă, totuși la un anumit cost de „timp de mașină” și utilizare modelele existente(de exemplu, „tipic anul climatic„) poate fi implementată, atunci problema luării în considerare în model a influenței asupra sistemului de influențe atmosferice (rouă, ceață, ploaie, zăpadă etc.), precum și aproximarea influenței termice asupra masei de sol a sistemul de colectare a căldurii a straturilor de sol subiacente și înconjurătoare de astăzi este practic de nerezolvat și ar putea constitui subiectul studii individuale. De exemplu, cunoașterea redusă a proceselor de formare a fluxurilor de filtrare a apelor subterane, a regimului de viteză al acestora, precum și a imposibilității de a obține informații fiabile despre regimul de căldură și umiditate al straturilor de sol situate sub zona de influență termică a schimbătorului de căldură din sol. , complică semnificativ sarcina de a construi un model matematic corect al regimului termic al unui sol cu sistem de colectare a căldurii de calitate scăzută.
Pentru a depăși dificultățile descrise care apar la proiectarea GTST, pot fi recomandate metodele create și testate în practică modelare matematică regimul termic al sistemelor de colectare a căldurii din sol și o metodologie pentru luarea în considerare a tranzițiilor de fază ale umidității în spațiul poros al masivului de sol al sistemelor de colectare a căldurii la proiectarea GTST.
Esența metodei este de a lua în considerare, la construirea unui model matematic, diferența dintre două probleme: problema „de bază”, care descrie regimul termic al solului în starea sa naturală (fără influența schimbătorului de căldură din sol al solului). sistem de colectare a căldurii) și problema de rezolvat, care descrie regimul termic al masei de sol cu radiatoare (surse). Ca urmare, metoda face posibilă obținerea unei soluții cu privire la o anumită funcție nouă, care este o funcție a influenței radiatoarelor asupra regimului termic natural al solului și a unei diferențe egale de temperatură a masei solului în acesta. starea naturală și masa solului cu drenurile (sursele de căldură) - cu schimbătorul de căldură din sol al sistemului de captare a căldurii.
Utilizarea acestei metode în construirea modelelor matematice ale regimului termic al sistemelor de captare a căldurii din sol cu potențial scăzut a făcut posibilă nu numai ocolirea dificultăților asociate cu aproximarea influențelor externe asupra sistemului de colectare a căldurii, ci și utilizarea informațiilor despre termoficarea naturală. regimul solului obţinut experimental de staţiile meteo din modele. Acest lucru ne permite să luăm în considerare parțial întregul complex de factori (cum ar fi prezența apelor subterane, viteza și regimurile termice ale acestora, structura și locația straturilor de sol, fundalul „termic” al Pământului, precipitațiile, transformările de fază ale umidității). în spațiul porilor și multe altele), care influențează semnificativ formarea regimului termic al sistemului de colectare a căldurii și a cărui considerare comună într-o formulare strictă a problemei este practic imposibilă.
Metodologia de luare în considerare a tranzițiilor de fază ale umidității în spațiul porilor unei mase de sol la proiectarea unui schimbător de căldură în sol se bazează pe noul concept de conductivitate termică „echivalentă” a solului, care este determinată prin înlocuirea problemei regimului termic. a unui cilindru de sol înghețat în jurul țevilor unui schimbător de căldură din sol cu o problemă cvasi-staționară „echivalentă” cu un câmp de temperatură apropiat și condiții de valori limită identice, dar cu o conductivitate termică „echivalentă” diferită. Cea mai importantă sarcină rezolvată la proiectarea sistemelor de alimentare cu căldură geotermală pentru clădiri este o evaluare detaliată a capacităților energetice ale climei zonei de construcție și, pe această bază, elaborarea unei concluzii despre eficacitatea și fezabilitatea utilizării unei anumite soluții de circuit GTST. . Valori calculate ale parametrilor climatici date în curent documente de reglementare ei nu dau climatul extern, variabilitatea acestuia pe lună, precum și în anumite perioade ale anului - sezonul de încălzire, perioada de supraîncălzire etc. Prin urmare, atunci când se decide asupra potențialului de temperatură al căldurii geotermale, evaluând posibilitatea combinării acesteia cu alte surse naturale de căldură de potențial scăzut, apreciind nivelul de temperatură a acestora (surselor) în ciclul anual, este necesară implicarea unor date climatice mai complete, date, de exemplu, în Directorul Climatic al URSS (L.: Gidrometioizdat. Numărul 1–34).
Dintre astfel de informații climatice în cazul nostru, ar trebui să evidențiem, în primul rând:
– date privind temperatura medie lunară a solului la diferite adâncimi;
– date privind recepția radiației solare pe suprafețe orientate diferit.
În tabel Tabelele 1–5 prezintă date despre temperaturile medii lunare ale solului la diferite adâncimi pentru unele orașe rusești. În tabel Tabelul 1 prezintă temperaturile medii lunare ale solului pentru 23 de orașe ale Federației Ruse la o adâncime de 1,6 m, ceea ce pare a fi cel mai rațional din punct de vedere al potențialului de temperatură al solului și al posibilităților de mecanizare a lucrărilor de așezare orizontală. schimbătoare de căldură la sol.
| Tabelul 1 Temperaturile medii ale solului pe lună la o adâncime de 1,6 m pentru unele orașe rusești |
||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
|
| Tabelul 2 Temperatura solului în Stavropol (sol - pământ negru) |
|||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
|
| Tabelul 3 Temperaturile solului în Yakutsk (solul este nisipos nisipos cu un amestec de humus, dedesubt – nisip) |
|||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
|
| Tabelul 4 Temperaturile solului în Pskov (fond, sol argilos, subsol argilos) |
|||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
|
| Tabelul 5 Temperatura solului în Vladivostok (sol maro stâncos, sol masiv) |
||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
|
Informațiile prezentate în tabelele despre cursul natural al temperaturilor solului la o adâncime de până la 3,2 m (adică în stratul de sol „de lucru” pentru GTST cu o locație orizontală a schimbătorului de căldură din sol) ilustrează clar posibilitățile de utilizare a solului. ca sursă de căldură cu potențial scăzut. Este evident că există o gamă relativ mică de modificări ale temperaturii straturilor situate la aceeași adâncime pe teritoriul Rusiei. Deci, de exemplu, solul la o adâncime de 3,2 m de la suprafață în Stavropol este de 7,4 °C, iar în Yakutsk - (–4,4 °C); În consecință, intervalul de modificări ale temperaturii solului la o anumită adâncime este de 11,8 grade. Acest fapt ne permite să contam pe crearea de echipamente de pompă de căldură suficient de unificate, potrivite pentru funcționare pe aproape întregul teritoriu al Rusiei.
După cum se poate observa din tabelele prezentate, trăsătură caracteristică Regimul natural de temperatură al solului este decalajul temperaturilor minime ale solului în raport cu momentul sosirii temperaturilor minime ale aerului exterior. Temperaturile minime ale aerului exterior sunt observate peste tot în ianuarie, temperaturile minime în sol la o adâncime de 1,6 m în Stavropol sunt observate în martie, în Yakutsk - în martie, în Soci - în martie, în Vladivostok - în aprilie. Astfel, este evident că în momentul în care apar temperaturile minime în sol, sarcina asupra sistemului de încălzire cu pompă de căldură (pierderea de căldură a clădirii) scade. Acest punct deschide oportunități destul de serioase pentru reducerea capacității instalate a GTST (economisirea costurilor de capital) și trebuie luat în considerare la proiectare.
Pentru a evalua eficiența utilizării sistemelor de alimentare cu căldură cu pompă de căldură geotermală în condițiile climatice ale Rusiei, teritoriul Federației Ruse a fost zonat în funcție de eficiența utilizării căldurii geotermale cu potențial scăzut în scopul furnizării de căldură. Zonarea a fost efectuată pe baza rezultatelor experimentelor numerice privind modelarea modurilor de funcționare ale GTST în condițiile climatice din diferite regiuni ale Federației Ruse.
Experimentele numerice au fost efectuate folosind exemplul unei căsuțe ipotetice cu două etaje, cu o suprafață încălzită de 200 m2, echipată cu un sistem de alimentare cu căldură cu pompă de căldură geotermală. Structurile de închidere exterioare ale casei în cauză au următoarea rezistență redusă la transferul de căldură:
– pereți exteriori – 3,2 m 2 h °C/W;
– ferestre și uși – 0,6 m 2 h °C/W;
– acoperiri si tavane – 4,2 m 2 h °C/W.
La efectuarea experimentelor numerice s-au luat în considerare următoarele:
– sistem de captare a căldurii din sol cu densitate redusă de consum de energie geotermală;
– sistem orizontal de captare a căldurii din țevi de polietilenă cu diametrul de 0,05 m și lungimea de 400 m;
– un sistem de colectare a căldurii din sol cu o densitate mare a consumului de energie geotermală;
Studiile au arătat că consumul de energie termică din masa solului până la sfârșitul sezonului de încălzire determină o scădere a temperaturii solului în apropierea registrului conductelor sistemului de captare a căldurii, care în condițiile solului și climatice ale majorității teritoriul Federației Ruse nu are timp să fie compensat în perioada de vara an, iar la începutul următorului sezon de încălzire solul iese la iveală cu un potenţial 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, potențialul său de temperatură diferă și 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 nivel. regim, apropiat de periodic, adică, începând din al cincilea an de funcționare, consumul pe termen lung de energie termică din masivul de sol al sistemului de captare a căldurii este însoțit de modificări periodice ale temperaturii acestuia. Astfel, atunci când se efectuează zonarea teritoriului Federației Ruse, a fost necesar să se ia în considerare scăderea temperaturii masei solului cauzată de mulți ani de funcționare a sistemului de colectare a căldurii și să se utilizeze temperaturile solului așteptate pentru Al 5-lea an de funcționare a GTST ca parametri calculați pentru temperaturile masei de sol.
Luând în considerare această circumstanță, la zonarea teritoriului Federației Ruse în funcție de eficiența utilizării GTST, a fost ales coeficientul mediu de transformare a căldurii K p tr pentru al 5-lea an de funcționare ca criteriu pentru eficiența căldurii pompei de căldură geotermale. sistem de alimentare, care este raportul dintre energia termică utilă generată de GTST și energia cheltuită pentru acționarea sa și este definită pentru ciclul Carnot termodinamic ideal după cum urmează:
K tr = T o / (T o – T i), (1)
unde T o este potențialul de temperatură al căldurii evacuate către sistemul de încălzire sau de alimentare cu căldură, K;
Coeficientul de transformare al sistemului de încălzire cu pompă de căldură K tr este raportul dintre căldura utilă evacuată către sistemul de alimentare cu căldură al consumatorului și energia cheltuită pentru funcționarea GTST și este numeric egal cu cantitatea de căldură utilă obținută la temperaturile T o și T și pe unitatea de energie cheltuită pentru acționarea GTST . Coeficientul de transformare real diferă de cel ideal, descris prin formula (1), prin valoarea coeficientului h, care ține cont de gradul de perfecțiune termodinamică a GTST și de pierderile ireversibile de energie în timpul implementării ciclului.
Experimentele numerice au fost realizate cu ajutorul unui program creat la INSOLAR-INVEST OJSC, care asigură determinarea parametrilor optimi ai sistemului de captare a căldurii în funcție de condițiile climatice ale zonei de construcție, de calitățile termoizolante ale clădirii, de caracteristicile de funcționare. a echipamentelor pompelor de căldură, pompelor de circulație, dispozitivelor de încălzire ale sistemului de încălzire, precum și modurile de funcționare ale acestora. Programul se bazează pe metoda descrisă anterior de construire a modelelor matematice ale regimului termic al sistemelor de colectare a căldurii solului cu potențial scăzut, care a făcut posibilă ocolirea dificultăților asociate cu incertitudinea informativă a modelelor și aproximarea influențelor externe, datorită utilizării în program a informațiilor obținute experimental despre regimul termic natural al solului, ceea ce permite luarea în considerare parțială a întregului complex de factori (cum ar fi prezența apelor subterane, viteza și regimurile termice ale acestora, structura și amplasarea). straturilor de sol, fundalul „termic” al Pământului, precipitațiile, transformările de fază ale umidității în spațiul porilor și multe altele), care influențează semnificativ formarea regimului termic al colectării de căldură a sistemului și contabilizarea comună a cărora într-un formularea strictă a problemei este practic imposibilă astăzi. Pentru a rezolva problema „de bază”, am folosit datele din Manualul Climatic al URSS (L.: Gidrometioizdat. Numărul 1–34).
Programul vă permite de fapt să rezolvați problema optimizării multi-parametrice a configurației GTST pentru o anumită clădire și zonă de construcție.
Rezultatele experimentelor numerice și zonarea teritoriului rus în funcție de eficiența utilizării căldurii geotermale cu potențial scăzut în scopul încălzirii clădirilor sunt prezentate grafic în Fig. 2–9.
În fig. Figura 2 prezintă valorile și izoliniile coeficientului de transformare al sistemelor de alimentare cu căldură cu pompe de căldură geotermale cu sisteme orizontale de colectare a căldurii, iar în Fig. 3 – pentru GTST cu sisteme verticale de colectare a căldurii. După cum se poate observa din cifre, valorile maxime ale K p tr 4,24 pentru sistemele orizontale de captare a căldurii și 4,14 pentru cele verticale pot fi așteptate în sudul Rusiei, iar valorile minime, respectiv, sunt 2,87 și 2,73 în nord, în Uelen. Pentru zona de mijlocÎn Rusia, valorile K p tr pentru sistemele orizontale de colectare a căldurii sunt în intervalul 3,4-3,6, iar pentru sistemele verticale în intervalul 3,2-3,4. Atrage suficient valori mari K r tr (3,2–3,5) pentru regiunile din Orientul Îndepărtat, regiuni cu condiții tradiționale dificile de alimentare cu combustibil. Aparent Orientul Îndepărtat este o regiune de implementare prioritară a GTST.
În fig. Figura 4 prezintă valorile și izoliniile costurilor energetice anuale specifice pentru acționarea GTST+PD „orizontală” (peak mai aproape), inclusiv costurile energetice pentru încălzire, ventilație și alimentare cu apă caldă, reduse la 1 m2 de suprafață încălzită și în fig. 5 – pentru GTST cu sisteme verticale de colectare a căldurii. După cum se poate observa din cifre, consumul specific anual de energie pentru acționarea GTST orizontal, redus la 1 m2 de suprafață încălzită a clădirii, variază de la 28,8 kWh/(an m2) în sudul Rusiei până la 241 kWh /(an m2) în oraș, și pentru GTST vertical, respectiv, de la 28,7 kWh// (an m2) în sud și până la 248 kWh// (an m2) în Yakutsk. Dacă înmulțim valoarea consumului anual specific de energie pentru unitatea GTST prezentată în cifrele pentru o anumită zonă cu valoarea pentru această zonă K p tr, redusă cu 1, vom obține cantitatea de energie economisită de GTST de la 1 m 2 de suprafata incalzita pe an. De exemplu, pentru Moscova pentru un GTST vertical, această valoare va fi de 189,2 kWh pe 1 m 2 pe an. Pentru comparație, putem cita valorile consumului specific de energie stabilite de standardele Moscovei de economisire a energiei MGSN 2.01–99 pentru clădirile joase la 130, iar pentru clădirile înalte 95 kWh/(an m2). În același timp, costurile cu energia standardizate de MGSN 2.01–99 includ doar costurile cu energia pentru încălzire și ventilație, în cazul nostru, costurile cu energia includ și costurile cu energia pentru alimentarea cu apă caldă. Cert este că abordarea evaluării costurilor energetice pentru operarea unei clădiri, existentă în standardele actuale, identifică articole individuale costurile energetice pentru încălzirea și ventilația clădirii și costurile energetice pentru alimentarea cu apă caldă a acesteia. În același timp, consumul de energie pentru alimentarea cu apă caldă nu este standardizat. Această abordare nu pare corectă, deoarece costurile cu energie pentru alimentarea cu apă caldă sunt adesea proporționale cu costurile cu energia pentru încălzire și ventilație.
În fig. Figura 6 prezintă valorile și izoliniile raportului rațional dintre puterea termică a închiderii de vârf (PD) și puterea electrică instalată a GTST orizontal în fracții de unitate, iar în Fig. 7 – pentru GTST cu sisteme verticale colectarea căldurii Criteriul pentru relația rațională dintre puterea termică a apropietorului de vârf și puterea electrică instalată a GTST (excluzând PD) a fost consumul minim anual de energie electrică pentru unitatea GTST+PD. După cum se poate observa din cifre, raportul rațional al puterilor PD termic și GTST electric (fără PD) variază de la 0 în sudul Rusiei, la 2,88 pentru GTST orizontal și 2,92 pentru sistemele verticale din Yakutsk. În zona centrală a Federației Ruse, raportul rațional dintre puterea termică a mai aproape și puterea electrică instalată a GTST + PD este în intervalul 1,1-1,3 pentru GTST orizontal și vertical. Acest punct trebuie discutat mai detaliat. Cert este că atunci când înlocuim, de exemplu, încălzirea electrică în zona centrală a Rusiei, avem de fapt posibilitatea de a reduce cu 35–40% puterea echipamentelor electrice instalate într-o clădire încălzită și, în consecință, de a reduce puterea electrică solicitată. de la RAO UES, care astăzi „costă” aproximativ 50 de mii de ruble. pentru 1 kW de putere electrică instalată în casă. Deci, de exemplu, pentru o cabană cu pierderi de căldură estimate în cea mai rece perioadă de cinci zile, egale cu 15 kW, vom economisi 6 kW de energie electrică instalată și, în consecință, aproximativ 300 de mii de ruble. sau ≈ 11,5 mii de dolari SUA. Această cifră este aproape egală cu costul GTST al unei astfel de puteri termice.
Astfel, dacă luăm în considerare corect toate costurile asociate cu conectarea unei clădiri la o sursă de energie centralizată, se dovedește că, cu tarifele curente de energie electrică și conectarea la rețelele centralizate de alimentare cu energie din Centura Centrală a Federației Ruse, chiar și la unu- costuri de timp, GTST se dovedește a fi mai profitabil decât încălzirea electrică, ca să nu mai vorbim de economii de energie de 60%.
În fig. Figura 8 prezintă valorile și izoliniile ponderii specifice a energiei termice generate în cursul anului de bobina de vârf (PD) în consumul total anual de energie al sistemului orizontal GTST+PD ca procent, iar în Fig. 9 – pentru GTST cu sisteme verticale de colectare a căldurii. După cum se poate observa din cifre, ponderea energiei termice generată în cursul anului de bobina de vârf (PD) în consumul total anual de energie al sistemului orizontal GTST+PD variază de la 0% în sudul Rusiei până la 38–40. % în orașele Yakutsk și Tours, și pentru verticală GTST+PD - respectiv, de la 0% în sud și până la 48,5% în Yakutsk.
În zona centrală a Rusiei, aceste valori sunt de aproximativ 5-7% atât pentru GTST vertical, cât și orizontal. Acestea sunt costuri mici de energie și, prin urmare, trebuie să fiți atenți atunci când alegeți un vârf mai aproape. Cele mai raționale din punct de vedere atât al investițiilor de capital specifice la 1 kW de putere, cât și al automatizării sunt închiderile electrice de vârf. Utilizarea cazanelor pe peleți merită atenție.
În concluzie, aș dori să mă opresc asupra unei chestiuni foarte importante: problema alegerii unui nivel rațional de protecție termică a clădirilor. Această problemă reprezintă astăzi o sarcină foarte serioasă, a cărei rezolvare necesită o analiză numerică serioasă, ținând cont de specificul climatului nostru și de caracteristicile echipamentelor inginerești utilizate, infrastructura rețelelor centralizate, precum și situația de mediu din orașe. , care se deteriorează literalmente în fața ochilor noștri și multe altele. Este evident că astăzi nu mai este corect să se formuleze vreo cerință pentru anvelopa clădirii fără a ține cont de relația acesteia (a clădirii) cu clima și sistemul de alimentare cu energie, utilități etc. Ca urmare, în viitorul foarte apropiat , rezolvarea problemei alegerii unui nivel rațional de protecție termică va fi posibilă doar pe baza luării în considerare a clădirii complexe + sistem de alimentare cu energie + climă + mediu ca un singur sistem eco-energetic, iar prin această abordare, avantajele competitive ale GTST în piaţa internă nu poate fi supraestimată.
Literatură
1. Sanner B. Surse de căldură la sol pentru pompe de căldură (clasificare, caracteristici, avantaje). Curs de pompe de căldură geotermale, 2002.
3. Vasiliev G.P. Alimentarea cu căldură și frig a clădirilor și structurilor folosind energia termică cu potențial scăzut a straturilor de suprafață ale Pământului: Monografie. Editura „Granitsa”. – M.: Steaua Roșie, 2006.
Dinamica modificărilor temperaturii solului de iarnă (2012-2013) la o adâncime de 130 de centimetri sub casă (sub marginea interioară a fundației), precum și la nivelul solului și temperatura apei care provine din fântână, sunt publicat aici. Toate acestea sunt pe coloana care vine din fântână.Graficul este în partea de jos a articolului.
Dacha (la granița Noii Moscove și Regiunea Kaluga) iarna, vizite periodice (de 2-4 ori pe luna timp de cateva zile).
Zona oarbă și subsolul casei nu sunt izolate, din toamnă au fost acoperite cu dopuri termoizolante (10 cm spumă). Pierderea de căldură de pe veranda unde se stinge coloana s-a schimbat în ianuarie. Vezi nota 10.
Măsurătorile la adâncimea de 130 cm se fac prin sistemul Xital GSM (), discret - 0,5 * C, suplimentar. eroare - aproximativ 0,3*C.
Senzorul este instalat într-un tub HDPE de 20 mm sudat de dedesubt lângă coloană, (cu exterior izolarea termică a coloanei, dar în interiorul unei țevi de 110 mm).
Axa absciselor arată datele, axa ordonatelor arată temperaturile.
Nota 1:
Voi monitoriza si temperatura apei in fantana, precum si la nivelul solului sub casa, chiar pe riser fara apa, dar numai la sosire. Eroarea este de aproximativ +-0,6*C.
Nota 2:
Temperatură la nivelul solului sub casa, langa ridicarea conductei de apa, in lipsa oamenilor si a apei, a scazut la minus 5*C. Acest lucru sugerează că nu degeaba am făcut sistemul - Apropo, termostatul care arăta -5 * C provenea de la acest sistem (RT-12-16).
Nota 3:
Temperatura apei „în puț” este măsurată de același senzor (și în Nota 2) ca „la nivelul solului” - se află direct pe coloană sub izolația termică, aproape de coloana de la nivelul solului. Aceste două măsurători sunt efectuate în momente diferite în timp. „La nivelul solului” - înainte de a pompa apă în colț și „în puț” - după ce ați pompat aproximativ 50 de litri timp de o jumătate de oră cu pauze.
Nota 4:
Temperatura apei din fântână poate fi oarecum subestimată, deoarece... Nu pot căuta această asimptotă blestemată pompând la nesfârșit apă (a mea)... mă joc cât pot de bine.
Nota 5: Nu este relevant, șters.
Nota 6:
Eroarea la înregistrarea temperaturii străzii este de aproximativ +-(3-7)*C.
Nota 7:
Viteza de răcire a apei la nivelul solului (fără a porni pompa) este de aproximativ 1-2*C pe oră (acesta este la minus 5*C la nivelul solului).
Nota 8:
Am uitat să descriu cum este aranjat și izolat coloana mea subterană. PND-32 este echipat cu doi ciorapi izolatori în valoare totală de 2 cm. grosime (polietilenă aparent spumă), toate acestea se introduc într-o țeavă de canalizare de 110 mm și se spumează acolo la o adâncime de 130 cm. Adevărat, deoarece PND-32 nu a trecut prin centrul țevii a 110-a și, de asemenea, că în mijlocul ei masa de spumă obișnuită poate să nu se întărească pentru o lungă perioadă de timp și, prin urmare, să nu se transforme în izolație, atunci mă îndoiesc puternic de calitatea o astfel de izolare suplimentară .. Probabil că ar fi mai bine să folosești spumă bicomponentă, a cărei existență am aflat abia mai târziu...
Nota 9:
Aș dori să atrag atenția cititorilor asupra măsurării temperaturii „La nivelul solului” din 12 ianuarie 2013. si din 18.01.2013 Aici, după părerea mea, valoarea de +0,3*C este vizibil mai mare decât era de așteptat. Cred că aceasta este o consecință a operațiunii „Umplerea cu zăpadă a bazei în apropierea rampei”, efectuată la 31 decembrie 2012.
Nota 10:
Din 12 ianuarie până pe 3 februarie, am realizat izolație suplimentară a verandei, unde merge coloana subterană.
Drept urmare, conform estimărilor brute, pierderile de căldură ale verandei au fost reduse de la 100 W/mp. podea la aproximativ 50 (aceasta este la minus 20*C afară).
Acest lucru a fost reflectat în grafice. Vezi temperatura la nivelul solului pe 9 februarie: +1,4*C și 16 februarie: +1,1 - astfel de temperaturi ridicate nu s-au văzut încă de la începutul iernii adevărate.
Și încă ceva: din 4 februarie până pe 16 februarie, pentru prima dată în două ierni, de duminică până vineri, centrala nu a fost pornită pentru a menține temperatura minimă setată pentru că nu a atins acest minim...
Nota 11:
După cum am promis (pentru „comandă” și pentru finalizare ciclu anual) Voi publica periodic temperaturile vara. Dar - nu în program, pentru a nu „umbri” iarna, ci aici, în Nota-11.
11 mai 2013
După 3 săptămâni de aerisire, orificiile de ventilație au fost închise până în toamnă pentru a evita depunerile de condens.
13 mai 2013(afară au fost +25-30*C de o săptămână):
- sub casa la parter +10,5*C,
- sub casa la o adancime de 130 cm. +6*С,
12 iunie 2013:
- sub casa la parter +14,5*C,
- sub casa la o adancime de 130 cm. +10*С.
- apa dintr-o fantana de la o adancime de 25m nu este mai mare de +8*C.
26 iunie 2013:
- sub casa la parter +16*C,
- sub casa la o adancime de 130 cm. +11*С.
- apa dintr-o fantana de la o adancime de 25m nu este mai mare de +9,3*C.
19 august 2013:
- sub casa la parter +15,5*C,
- sub casa la o adancime de 130 cm. +13,5*С.
- apa dintr-o fantana de la o adancime de 25m nu este mai mare de +9,0*C.
28 septembrie 2013:
- sub casa la parter +10,3*C,
- sub casa la o adancime de 130 cm. +12*С.
- apa in fantana de la o adancime de 25m = +8,0*C.
26 octombrie 2013:
- sub casa la parter +8,5*C,
- sub casa la o adancime de 130 cm. +9,5*С.
- apa dintr-o fantana de la o adancime de 25m nu este mai mare de +7,5*C.
16 noiembrie 2013:
- sub casa la parter +7,5*C,
- sub casa la o adancime de 130 cm. +9,0*С.
- apa in fantana de la o adancime de 25m +7,5*C.
20 februarie 2014:
Aceasta este probabil ultima intrare din acest articol.
Trăim în casă în mod constant toată iarna, nu are rost să repetă măsurătorile de anul trecut, așa că există doar două numere semnificative:
- temperatura minima de sub casa la nivelul solului in timpul celor mai reci ingheturi (-20 - -30*C) la o saptamana dupa ce au inceput, a scazut in mod repetat sub +0,5*C. În aceste momente mi-a funcționat
Temperatura din interiorul pământului este cel mai adesea un indicator destul de subiectiv, deoarece temperatura exactă poate fi dată numai în locuri accesibile, de exemplu, în fântâna Kola (adâncime 12 km). Dar acest loc aparține din exterior scoarta terestra.
Temperaturi la diferite adâncimi ale Pământului
După cum au descoperit oamenii de știință, temperatura crește cu 3 grade la fiecare 100 de metri adâncime în Pământ. Această cifră este constantă pentru toate continentele și părțile globului. Această creștere a temperaturii are loc în partea superioară a scoarței terestre, aproximativ primii 20 de kilometri, apoi creșterea temperaturii încetinește.
Cea mai mare creștere a fost înregistrată în Statele Unite, unde temperaturile au crescut cu 150 de grade la 1.000 de metri adâncime în pământ. Cea mai lentă creștere a fost înregistrată în Africa de Sud, termometrul a crescut cu doar 6 grade Celsius.
La o adâncime de aproximativ 35-40 de kilometri, temperatura oscilează în jurul a 1400 de grade. Limita dintre manta și miezul exterior la o adâncime de 25 până la 3000 km se încălzește de la 2000 la 3000 de grade. Miezul interior este încălzit la 4000 de grade. Temperatura din chiar centrul Pământului, conform celor mai recente informații obținute în urma unor experimente complexe, este de aproximativ 6000 de grade. Soarele se poate lăuda cu aceeași temperatură la suprafața sa.
Temperaturile minime și maxime ale adâncimii Pământului
Atunci când se calculează temperaturile minime și maxime din interiorul Pământului, datele din centura de temperatură constantă nu sunt luate în considerare. În această zonă temperatura este constantă pe tot parcursul anului. Centura este situată la o adâncime de 5 metri (tropice) și până la 30 de metri (latitudini mari).
Temperatura maxima a fost măsurată și înregistrată la o adâncime de aproximativ 6000 de metri și s-a ridicat la 274 de grade Celsius. Temperatura minimă din interiorul pământului se înregistrează în principal în regiunile nordice ale planetei noastre, unde chiar și la o adâncime de peste 100 de metri termometrul arată temperaturi sub zero.
De unde vine căldura și cum este distribuită în interiorul planetei?
Căldura din interiorul pământului provine din mai multe surse:
1) Dezintegrarea elementelor radioactive;
2) Diferențierea gravitațională a materiei încălzite în miezul Pământului;
3) Frecarea mareelor (efectul Lunii asupra Pământului, însoțit de o încetinire a acestuia din urmă).
Acestea sunt câteva opțiuni pentru apariția căldurii în intestinele pământului, dar întrebarea de lista completa iar corectitudinea a ceea ce există deja este încă deschisă.
Fluxul de căldură care emană din interiorul planetei noastre variază în funcție de zonele structurale. Prin urmare, distribuția căldurii într-un loc în care există un ocean, munți sau câmpii are indicatori complet diferiți.
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. Nu este influențat de condițiile climatice și, 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 geotermale verticale, 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. Fântânile 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 se schimbă cu adâncimea. Datorită furnizării inegale de căldură solară, suprafața pământului se încălzește uneori și uneori se răcește. Aceste fluctuații de temperatură pătrund foarte puțin adânc în grosimea Pământului. Astfel, fluctuațiile zilnice la o adâncime de 1 m de obicei aproape că nu se mai simt. În ceea ce privește fluctuațiile anuale, acestea pătrund la diferite adâncimi: țările calde la 10-15 m, iar în ţările cu iarna rece iar în verile fierbinți până la 25-30 și chiar 40 m. Mai adânc 30-40 m Deja peste tot pe Pământ temperatura rămâne neschimbată. De exemplu, un termometru amplasat la subsolul Observatorului din Paris a indicat întotdeauna 11°.85C timp de peste 100 de ani.
Pe tot parcursul se observă un strat cu o temperatură constantă globși se numește zona de temperatură constantă sau neutră. Adâncimea acestei centuri variază în funcție de condițiile climatice, iar temperatura este aproximativ medie temperatura anuala a acestui loc.
Când pătrundeți mai adânc în Pământ sub un strat de temperatură constantă, se observă de obicei o creștere treptată a temperaturii. Acest lucru a fost observat pentru prima dată de muncitorii din minele de adâncime. Acest lucru a fost observat și la așezarea tunelurilor. De exemplu, la așezarea tunelului Simplon (în Alpi), temperatura a crescut la 60 °, ceea ce a creat dificultăți considerabile în lucru. Temperaturi chiar mai ridicate sunt observate în forajele adânci. Un exemplu este fântâna Chukhovskaya (Silezia Superioară), în care la o adâncime de 2220 m temperatura a fost peste 80° (83°, 1), etc. Pe baza multor observații făcute în diverse locuri de pe Pământ, s-a putut stabili că în medie, cu adânciri la fiecare 33 m temperatura creste cu 1°C.
Se numește numărul de metri pe care trebuie să mergi mai adânc în Pământ pentru ca temperatura să crească cu 1°C pas geotermal. Etapa geotermală nu este aceeași în cazuri diferite și cel mai adesea variază de la 30 la 35 m.În unele cazuri, aceste fluctuații pot fi mai mari. De exemplu, în statul Michigan (SUA), într-una dintre forajele situate în apropierea lacului. Michigan, etapa geotermală s-a dovedit a fi nu 33, dar 70 m. Dimpotrivă, o treaptă geotermală foarte mică a fost observată într-una dintre fântânile din Mexic, acolo, la o adâncime de 670. m apă a apărut cu o temperatură de 70°. Astfel, etapa geotermală s-a dovedit a fi doar aproximativ 12 m. Mici pași geotermici se observă și în zonele vulcanice, unde la adâncimi mici pot exista încă straturi nerăcite de roci magmatice. Dar toate astfel de cazuri nu sunt atât reguli, cât excepții.
Există multe motive care influențează stadiul geotermal. (Pe lângă cele de mai sus, putem sublinia diferitele conductivitati termice ale rocilor, natura apariției straturilor etc.
Terenul are o mare importanță în distribuția temperaturilor. Acesta din urmă poate fi văzut clar în desenul atașat (Fig. 23), înfățișând o secțiune transversală a Alpilor de-a lungul liniei tunelului Simplon, cu geoizoterme punctate (adică, linii de temperaturi egale în interiorul Pământului). Geoizotermele de aici par să urmărească relieful, dar odată cu adâncimea influența reliefului scade treptat. (Înclinarea puternică în jos a geoizotermelor de la Balle se datorează circulației puternice a apei observată aici.)
Temperatura Pământului la adâncimi mari. Observații ale temperaturilor în foraje, a căror adâncime depășește rar 2-3 km, Desigur, ei nu pot da o idee despre temperaturile straturilor mai profunde ale Pământului. Dar aici ne vin în ajutor unele fenomene din viața scoarței terestre. Vulcanismul este unul dintre aceste fenomene. Vulcanii, răspândiți pe suprafața pământului, aduc lavă topită la suprafața pământului, a cărei temperatură este de peste 1000°. Prin urmare, la adâncimi mari avem temperaturi care depășesc 1000°.
A existat o vreme când oamenii de știință, pe baza stadiului geotermal, au încercat să calculeze adâncimea la care ar putea apărea temperaturi de până la 1000-2000°. Cu toate acestea, astfel de calcule nu pot fi considerate suficient de fundamentate. Observațiile făcute asupra temperaturii unei mingi de bazalt care se răcește și calculele teoretice dau motive să spunem că mărimea treptei geotermale crește odată cu adâncimea. Dar în ce măsură și în ce profunzime are loc o astfel de creștere, nici nu putem spune încă.
Dacă presupunem că temperatura crește continuu odată cu adâncimea, atunci în centrul Pământului ar trebui măsurată în zeci de mii de grade. La astfel de temperaturi, toate rocile cunoscute de noi ar trebui să se transforme în stare lichidă. Adevărat, există o presiune enormă în interiorul Pământului și nu știm nimic despre starea corpurilor la astfel de presiuni. Cu toate acestea, nu avem nicio dovadă care să spună că temperatura crește continuu odată cu adâncimea. Acum majoritatea geofizicienilor ajung la concluzia că temperatura din interiorul Pământului cu greu poate fi mai mare de 2000°.
Surse de căldură. În ceea ce privește sursele de căldură care determină temperatura internă a Pământului, acestea pot fi diferite. Pe baza ipotezelor care consideră că Pământul este format dintr-o masă fierbinte și topită, căldura internă ar trebui considerată căldura reziduală a unui corp care se răcește de la suprafață. Cu toate acestea, există motive să credem că cauza este internă temperatură ridicată Pământul poate fi descompunet radioactiv de uraniu, toriu, actinouraniu, potasiu și alte elemente conținute în stânci. Elementele radioactive sunt distribuite în cea mai mare parte în rocile acide de pe suprafața Pământului; mai puține dintre ele se găsesc în rocile de bază adânci. În același timp, rocile de bază sunt mai bogate în ele decât meteoriții de fier, care sunt considerați fragmente ale părților interne ale corpurilor cosmice.
În ciuda cantității mici de substanțe radioactive din roci și a descompunerii lor lente, cantitatea totală de căldură rezultată din dezintegrarea radioactivă este mare. geolog sovietic V. G. Khlopin a calculat că elementele radioactive conținute în învelișul superior de 90 de kilometri a Pământului sunt suficiente pentru a acoperi pierderile de căldură de pe planetă prin radiații. Împreună cu dezintegrare radioactivă energia termică este eliberată atunci când materia Pământului este comprimată, când reactii chimice etc.
- Sursa -
Polovinkin, A.A. Fundamentele geoștiinței generale/ A.A. Polovinkin - M.: Editura de stat educațională și pedagogică a Ministerului Educației din RSFSR, 1958. - 482 p.
Vizualizări post: 179