Това може да изглежда като фантазия, ако не беше истина. Оказва се, че в суровите сибирски условия можете да получите топлина директно от земята. Първите обекти от геотермални системиотоплението се появи в района на Томск миналата година и въпреки че те могат да намалят разходите за топлина с около четири пъти в сравнение с традиционните източници, все още няма масова циркулация "под земята". Но тенденцията е забележима и най-важното - набира скорост. Всъщност това е най-достъпният алтернативен източник на енергия за Сибир, където слънчевите панели или вятърните генератори, например, не винаги могат да покажат своята ефективност. Геотермалната енергия всъщност просто лежи под краката ни.

„Дълбочината на замръзване на почвата е 2–2,5 метра. Температурата на земята под тази марка остава същата както през зимата, така и през лятото, варираща от плюс един до плюс пет градуса по Целзий. работа топлинна помпапостроен върху този имот, - казва енергетикът на отдела за образование на администрацията на Томска област Роман Алексеенко. - Свързващите тръби се вкопават в земния контур на дълбочина 2,5 метра, на разстояние около метър и половина една от друга. В тръбопроводната система циркулира охладител - етилен гликол. Външният хоризонтален земен кръг комуникира с хладилния агрегат, в който циркулира хладилният агент - фреон, газ с ниска точка на кипене. При плюс три градуса по Целзий този газ започва да кипи и когато компресорът рязко компресира кипящия газ, температурата на последния се повишава до плюс 50 градуса по Целзий. Нагрятият газ се изпраща в топлообменник, в който циркулира обикновена дестилирана вода. Течността се нагрява и разпространява топлина в цялата отоплителна система, положена в пода.

Чиста физика и никакви чудеса

Миналото лято в село Турунтаево близо до Томск беше открита детска градина, оборудвана с модерна датска геотермална отоплителна система. Според директора на томската компания Ecoclimat Георги Гранин, енергийно ефективната система позволи няколко пъти да намали плащането за топлоснабдяване. За осем години това томско предприятие вече е оборудвало около двеста обекта в различни региони на Русия с геотермални отоплителни системи и продължава да го прави в Томска област. Така че няма съмнение в думите на Гранин. Година преди откриването на детска градина в Турунтаево Ecoclimat оборудва геотермална отоплителна система, която струва 13 милиона рубли, друга детска градина"Слънчево зайче" в микрорайона на Томск "Зелени хълмове". Всъщност това беше първото подобно преживяване. И той беше доста успешен.

Още през 2012 г., по време на посещение в Дания, организирано по програмата на Евроинформационния кореспондентски център (EICC-Томска област), компанията успя да се договори за сътрудничество с датската компания Danfoss. И днес датското оборудване помага да се извлича топлина от недрата на Томск и, както казват експертите без много скромност, се оказва доста ефективно. Основният показател за ефективност е икономичността. „Отоплителната система за сграда на детска градина от 250 квадратни метра в Турунтаево струва 1,9 милиона рубли“, казва Гранин. „А таксата за отопление е 20-25 хиляди рубли годишно.“ Тази сума е несравнима с тази, която детската градина би платила за отопление с традиционни източници.

Системата работеше без проблеми в условията на сибирската зима. Направено е изчисление за съответствието на топлинното оборудване със стандартите SanPiN, според които то трябва да поддържа температура най-малко + 19 ° C в сградата на детската градина при температура на външния въздух от -40 ° C. Общо около четири милиона рубли бяха изразходвани за преустройство, ремонт и преоборудване на сградата. Заедно с термопомпата сумата беше малко под шест милиона. Благодарение на термопомпите днес отоплението на детската градина е напълно изолирана и независима система. Сега в сградата няма традиционни батерии, а пространството се отоплява с помощта на системата "топъл под".

Детската градина Turuntayevsky е изолирана, както се казва, „от“ и „до“ - в сградата е оборудвана допълнителна топлоизолация: върху съществуващата стена (с дебелина три тухли) е монтиран 10-сантиметров слой изолация, еквивалентен на две или три тухли. Зад изолацията има въздушна междина, последвана от метален сайдинг. По същия начин е изолиран покривът. Основното внимание на строителите беше насочено към "топлия под" - отоплителната система на сградата. Оказаха се няколко слоя: бетонен под, слой от пяна с дебелина 50 мм, система от тръби, в които циркулира топла вода и линолеум. Въпреки че температурата на водата в топлообменника може да достигне +50°C, максималното загряване на действителното подово покритие не надвишава +30°C. Действителната температура на всяка стая може да се регулира ръчно - автоматичните сензори ви позволяват да настроите температурата на пода по такъв начин, че стаята на детската градина да се затопли до необходимата температура. санитарни нормистепени.

Мощността на помпата в градината Turuntayevsky е 40 kW генерирана топлинна енергия, за производството на която термопомпата изисква 10 kW електрическа мощност. Така от консумирания 1 kW електрическа енергияТермопомпата произвежда 4 kW топлина. „Малко ни беше страх от зимата – не знаехме как ще се държат термопомпите. Но дори и в много студенов детската градина беше постоянно топло - от плюс 18 до 23 градуса по Целзий, - казва директорът на Turuntaevskaya гимназия Евгений Белоногов. - Разбира се, тук си струва да се има предвид, че самата сграда беше добре изолирана. Оборудването е непретенциозно в поддръжката и въпреки факта, че това е западна разработка, се оказа доста ефективно в нашите сурови сибирски условия.

Цялостен проект за обмяна на опит в областта на опазването на ресурсите беше реализиран от EICC-Томска област на Томската търговско-промишлена камара. В него участваха малки и средни предприятия, които разработват и внедряват ресурсоспестяващи технологии. През май миналата година датски експерти посетиха Томск в рамките на руско-датски проект и резултатът беше, както се казва, очевиден.

Иновациите идват в училище

Ново училище в село Вершинино, Томска област, построено от фермер Михаил Колпаков, е третото съоръжение в региона, което използва топлината на земята като източник на топлина за отопление и топла вода. Училището е уникално и с това, че е с най-висока категория енергийна ефективност – „А”. Отоплителната система е проектирана и пусната в експлоатация от същата компания Ecoclimat.

„Когато решавахме какво отопление да инсталираме в училището, имахме няколко възможности – котелна централа на въглища и термопомпи“, казва Михаил Колпаков. - Проучихме опита на енергийно ефективна детска градина в Зелени Горки и изчислихме, че отоплението по стария начин, на въглища, ще ни струва повече от 1,2 милиона рубли на зима, а също така се нуждаем от топла вода. А с термопомпи разходът ще е около 170 хиляди за цялата година, заедно с топлата вода.”

Системата се нуждае само от електричество, за да произвежда топлина. Консумирайки 1 kW електроенергия, термопомпите в училище произвеждат около 7 kW топлинна енергия. Освен това, за разлика от въглищата и газа, топлината на земята е самовъзобновяем източник на енергия. Монтаж на модерна отоплителна системаУчилището струва около 10 милиона рубли. За целта са пробити 28 сондажа на територията на училището.

„Аритметиката тук е проста. Изчислихме, че поддръжката на въглищния котел, като се вземе предвид заплатата на камина и цената на горивото, ще струва повече от милион рубли годишно, - отбелязва ръководителят на отдела за образование Сергей Ефимов. - Когато използвате термопомпи, ще трябва да плащате за всички ресурси около петнадесет хиляди рубли на месец. Безспорните предимства на използването на термопомпи са тяхната ефективност и екологичност. Системата за топлоснабдяване ви позволява да регулирате подаването на топлина в зависимост от времето навън, което елиминира така нареченото "недозагряване" или "прегряване" на помещението.

Според предварителните изчисления скъпото датско оборудване ще се изплати за четири до пет години. Срокът на експлоатация на термопомпите Danfoss, с които работи Ecoclimat LLC, е 50 години. Получавайки информация за температурата на въздуха навън, компютърът определя кога да отоплява училището и кога е възможно да не го прави. Следователно въпросът за датата на включване и изключване на отоплението изчезва напълно. Независимо от времето, климатичният контрол винаги ще работи извън прозорците в училището за деца.

„Когато извънредният и пълномощен посланик на Кралство Дания дойде на общоруската среща миналата година и посети нашата детска градина в Зелени Горки, той беше приятно изненадан, че онези технологии, които се смятат за иновативни дори в Копенхаген, се прилагат и работят в Томска област“, ​​казва търговският директор на компанията Ecoclimat Александър Гранин.

Като цяло използването на местни възобновяеми енергийни източници в различни сектори на икономиката, в случая в социална сфера, която включва училища и детски градини, е едно от основните направления, реализирани в региона като част от програмата за енергоспестяване и енергийна ефективност. Развитието на възобновяемата енергия се подкрепя активно от губернатора на региона Сергей Жвачкин. И три бюджетни институциис геотермална отоплителна система - само първите стъпки към реализацията на голям и обещаващ проект.

Детската градина в Зелени Горки беше призната за най-доброто енергийно ефективно съоръжение в Русия на конкурс в Сколково. След това дойде Vershininskaya училище с геотермално отопление, също от най-високата категория на енергийна ефективност. Следващият обект, не по-малко значим за района на Томск, е детска градина в Турунтаево. Тази година компаниите Gazhimstroyinvest и Stroygarant вече започнаха строителството на детски градини за 80 и 60 деца съответно в селата на Томска област, Копилово и Кандинка. И двете нови съоръжения ще се отопляват с геотермални отоплителни системи – от термопомпи. Общо тази година областната администрация възнамерява да похарчи почти 205 милиона рубли за изграждането на нови детски градини и ремонта на съществуващите. Предвижда се реконструкция и преоборудване на сградата за детска градина в село Тахтамишево. В тази сграда отоплението ще се осъществява и с термопомпи, тъй като системата се е доказала добре.

Кирил Дегтярев, изследовател, Москва Държавен университеттях. М. В. Ломоносов.

В нашата страна, богата на въглеводороди, геотермалната енергия е вид екзотичен ресурс, който при сегашното състояние на нещата едва ли може да се конкурира с нефта и газа. Въпреки това, тази алтернативна форма на енергия може да се използва почти навсякъде и доста ефективно.

Снимка Игор Константинов.

Промяна на температурата на почвата с дълбочина.

Повишаване на температурата на термалните води и съдържащите ги сухи скали с дълбочина.

Промяна на температурата с дълбочина в различни региони.

Изригването на исландския вулкан Eyjafjallajökull е илюстрация на бурни вулканични процеси, протичащи в активни тектонични и вулканични зони с мощен топлинен поток от земните недра.

Инсталирани мощности на геотермални електроцентрали по страни по света, MW.

Разпределение на геотермалните ресурси на територията на Русия. Запасите от геотермална енергия, според експертите, са няколко пъти по-високи от енергийните запаси на органичните изкопаеми горива. Според Асоциацията на обществото за геотермална енергия.

Геотермалната енергия е топлината на земните недра. Произвежда се в дълбините и излиза на повърхността на Земята през различни формии с различен интензитет.

Температурата на горните слоеве на почвата зависи главно от външни (екзогенни) фактори - слънчева светлина и температура на въздуха. През лятото и през деня почвата се затопля до определени дълбочини, а през зимата и през нощта се охлажда след промяната на температурата на въздуха и с известно закъснение, увеличавайки се с дълбочината. Влиянието на дневните колебания на температурата на въздуха завършва на дълбочини от няколко до няколко десетки сантиметра. Сезонните колебания улавят по-дълбоки слоеве на почвата - до десетки метри.

На определена дълбочина - от десетки до стотици метри - температурата на почвата се поддържа постоянна, равна на средната годишна температура на въздуха в близост до земната повърхност. Това е лесно да се провери, като слезете в доста дълбока пещера.

Когато средната годишна температура на въздуха в даден район е под нулата, това се проявява като вечна замръзналост (по-точно пермафрост). В Източен Сибир дебелината, т.е. дебелината на целогодишно замръзналите почви достига на места 200-300 m.

От определена дълбочина (своя за всяка точка на картата) влиянието на Слънцето и атмосферата отслабва толкова много, че ендогенните (вътрешни) фактори излизат на първо място и вътрешността на земята се нагрява отвътре, така че температурата започва да се повишава с дълбочината.

Нагряването на дълбоките слоеве на Земята се свързва главно с разпадането на разположените там радиоактивни елементи, въпреки че се споменават и други източници на топлина, например физикохимични, тектонични процеси в дълбоките слоеве на земната кора и мантията. Но каквато и да е причината, температурата на скалите и свързаните с тях течни и газообразни вещества се повишава с дълбочината. Миньорите се сблъскват с този феномен - в дълбоките мини винаги е горещо. На дълбочина 1 км трийсетградусовата топлина е нормална, а по-дълбоко температурата е още по-висока.

Топлинният поток на земните недра, достигащ повърхността на Земята, е малък - средно неговата мощност е 0,03-0,05 W / m 2,
или около 350 Wh/m 2 годишно. На фона на топлинния поток от Слънцето и нагрятия от него въздух това е незабележима стойност: Слънцето дава всеки квадратен метър земната повърхностоколо 4000 kWh годишно, тоест 10 000 пъти повече (разбира се, това е средна стойност, с огромен размах между полярните и екваториалните ширини и в зависимост от други климатични и метеорологични фактори).

Незначителността на топлинния поток от дълбините към повърхността в по-голямата част от планетата се свързва с ниската топлопроводимост на скалите и особеностите на геоложката структура. Но има изключения - места, където топлинният поток е висок. Това са преди всичко зони на тектонични разломи, повишена сеизмична активност и вулканизъм, където енергията на земните недра намира изход. Такива зони се характеризират с термични аномалии на литосферата, тук топлинният поток, достигащ земната повърхност, може да бъде много пъти и дори порядъци по-мощен от "обикновения". Огромно количество топлина се извежда на повърхността в тези зони от вулканични изригвания и горещи водни извори.

Именно тези райони са най-благоприятни за развитие на геотермална енергия. На територията на Русия това са преди всичко Камчатка, Курилските острови и Кавказ.

В същото време развитието на геотермална енергия е възможно почти навсякъде, тъй като повишаването на температурата с дълбочина е повсеместно явление и задачата е да се „извлече“ топлина от недрата, точно както минералните суровини се извличат оттам.

Средно температурата се повишава с дълбочина с 2,5-3 o C на всеки 100 м. Съотношението на температурната разлика между две точки, разположени на различна дълбочина, към разликата в дълбочината между тях се нарича геотермален градиент.

Реципрочната е геотермалната стъпка или интервалът на дълбочина, при който температурата се повишава с 1 o C.

Колкото по-висок е градиентът и съответно колкото по-ниска е стъпката, толкова по-близо до повърхността се приближава топлината на земните дълбини и толкова по-обещаваща е тази област за развитие на геотермална енергия.

В различните области, в зависимост от геоложката структура и други регионални и местни условия, скоростта на повишаване на температурата с дълбочина може да варира драстично. В мащаба на Земята колебанията в стойностите на геотермалните градиенти и стъпки достигат 25 пъти. Например в щата Орегон (САЩ) градиентът е 150 o C на 1 km, а в Южна Африка - 6 o C на 1 km.

Въпросът е каква е температурата на голяма дълбочина - 5, 10 км или повече? Ако тенденцията се запази, температурата на дълбочина от 10 km трябва да бъде средно около 250-300 ° C. Това повече или по-малко се потвърждава от преки наблюдения в ултра-дълбоки кладенци, въпреки че картината е много по-сложна от линейно повишаване на температурата.

Например в свръхдълбокия кладенец Кола, пробит в Балтийския кристален щит, температурата се променя със скорост 10 o C / 1 km до дълбочина 3 km, след което геотермалния градиент става 2-2,5 пъти по-голям. На дълбочина 7 км вече е регистрирана температура от 120 o C, на 10 km - 180 o C, а на 12 km - 220 o C.

Друг пример е кладенец, заложен в Северен Каспий, където на дълбочина 500 m е регистрирана температура от 42 o C, на 1,5 km - 70 o C, на 2 km - 80 o C, на 3 km - 108 o C.

Предполага се, че геотермалния градиент намалява, започвайки от дълбочина 20-30 km: на дълбочина 100 km прогнозните температури са около 1300-1500 o C, на дълбочина 400 km - 1600 o C, в ядрото на Земята (дълбочини над 6000 km) - 4000-5000 o C.

На дълбочини до 10-12 km температурата се измерва чрез сондажи; там, където ги няма, се определя по косвени признаци по същия начин, както при по-големи дълбочини. Такива косвени признаци могат да бъдат естеството на преминаването на сеизмичните вълни или температурата на изригващата лава.

За целите на геотермалната енергия обаче данните за температурите на дълбочини над 10 km все още не представляват практически интерес.

На дълбочини от няколко километра има много топлина, но как да я вдигнем? Понякога самата природа решава този проблем за нас с помощта на естествен охладител - загрята термална вода, която излиза на повърхността или лежи на достъпна за нас дълбочина. В някои случаи водата в дълбините се нагрява до състояние на пара.

Няма строга дефиниция на понятието "термални води". Като правило те означават горещи подземни води в течно състояние или под формата на пара, включително тези, които излизат на повърхността на Земята с температура над 20 ° C, т.е. като правило по-висока от температурата на въздуха.

Топло подземни води, пара, пароводни смеси - това е хидротермална енергия. Съответно енергията, базирана на нейното използване, се нарича хидротермална.

Ситуацията е по-сложна с производството на топлина директно от сухи скали - петротермална енергия, особено след като достатъчно високите температури, като правило, започват от дълбочини от няколко километра.

На територията на Русия потенциалът на нефтотермалната енергия е сто пъти по-висок от този на хидротермалната енергия - съответно 3500 и 35 трилиона тона условно гориво. Това е съвсем естествено - топлината на земните дълбини е навсякъде, а термалните води се намират на местно ниво. Въпреки това, поради очевидни технически трудности, повечето от термалните води в момента се използват за производство на топлина и електричество.

Води с температури от 20-30 до 100 o C са подходящи за отопление, температури от 150 o C и по-високи - и за производство на електроенергия в геотермални електроцентрали.

Като цяло геотермалните ресурси на територията на Русия, изразени в тонове референтно гориво или всяка друга единица за измерване на енергия, са приблизително 10 пъти по-високи от запасите от изкопаеми горива.

Теоретично само геотермалната енергия би могла напълно да задоволи енергийните нужди на страната. Практически на този моментв по-голямата част от нейната територия това не е осъществимо по технически и икономически причини.

В света използването на геотермална енергия най-често се свързва с Исландия – страна, разположена в северния край на Средноатлантическия хребет, в изключително активна тектонична и вулканична зона. Вероятно всички си спомнят мощното изригване на вулкана Eyjafjallajökull през 2010 г.

Именно благодарение на тази геоложка специфика Исландия има огромни запаси от геотермална енергия, включително горещи извори, които излизат на повърхността на Земята и дори бликат под формата на гейзери.

В Исландия повече от 60% от цялата консумирана енергия в момента се взема от Земята. Включително благодарение на геотермалните източници се осигуряват 90% от отоплението и 30% от производството на електроенергия. Добавяме, че останалата част от електроенергията в страната се произвежда от водноелектрически централи, тоест също използвайки възобновяем източник на енергия, благодарение на което Исландия изглежда като един вид световен екологичен стандарт.

„Укротяването“ на геотермалната енергия през 20 век помогна значително на Исландия икономически термини. До средата на миналия век тя беше много бедна страна, сега е на първо място в света по инсталирана мощност и производство на геотермална енергия на глава от населението и е в челната десетка по абсолютна инсталирана мощност на геотермални електроцентрали. Въпреки това населението му е само 300 хиляди души, което опростява задачата за преминаване към екологични източници на енергия: необходимостта от това обикновено е малка.

В допълнение към Исландия, висок дял геотермална енергия в общия баланс на производството на електроенергия се осигурява от Нова Зеландия и островните държави от Югоизточна Азия (Филипините и Индонезия), страни Централна Америкаи Източна Африка, чиято територия също се характеризира с висока сеизмична и вулканична активност. За тези страни, при сегашното им ниво на развитие и нужди, геотермалната енергия има значителен принос за социално-икономическото развитие.

(Следва краят.)

За моделиране на температурни полета и за други изчисления е необходимо да се знае температурата на почвата на дадена дълбочина.

Температурата на почвата в дълбочина се измерва с помощта на изпускателни почвени термометри. Това са планирани изследвания, които се провеждат редовно. метеорологични станции. Данните от изследвания служат като основа за климатични атласи и нормативна документация.

За да получите температурата на почвата на дадена дълбочина, можете да опитате, например, две прости начини. И двата метода се основават на използването на справочна литература:

1. За приблизително определяне на температурата можете да използвате документа TsPI-22. „Преходи железницитръбопроводи." Тук, в рамките на методологията за топлотехнически изчисления на тръбопроводи, е дадена таблица 1, където за определени климатични райони са дадени температурите на почвата в зависимост от дълбочината на измерване. Представям тази таблица по-долу.

маса 1

1. Таблица на температурите на почвата на различни дълбочини от източник "в помощ на работник от газовата индустрия" от времето на СССР

Нормативни дълбочини на замръзване за някои градове:

Дълбочината на замръзване на почвата зависи от вида на почвата:

Мисля, че най-лесният вариант е да използвате референтните данни по-горе и след това да интерполирате.

Най-надеждният вариант за точни изчисления с използване на земни температури е използването на данни от метеорологичните служби. Въз основа на метеорологичните услуги работят някои онлайн директории. Например http://www.atlas-yakutia.ru/.

Тук е достатъчно да изберете местност, вид на почвата и можете да получите температурна карта на почвата или нейните данни в табличен вид. По принцип е удобно, но изглежда, че този ресурс е платен.

Ако знаете повече начини за определяне на температурата на почвата на дадена дълбочина, моля, напишете коментари.

Може да се интересувате от следния материал:

температура вътре в земята.Определянето на температурата в земните черупки се основава на различни, често косвени данни. Най-надеждните данни за температурата се отнасят за най-горната част на земната кора, която е открита от мини и сондажи до максимална дълбочина от 12 km (Колски кладенец).

Повишаването на температурата в градуси по Целзий на единица дълбочина се нарича геотермален градиент,и дълбочината в метри, през която температурата се повишава с 1 0 C - геотермално стъпало.Геотермалния градиент и съответно геотермалната стъпка варират от място на място в зависимост от геоложките условия, ендогенната активност в различните области, както и разнородната топлопроводимост на скалите. В същото време, според Б. Гутенберг, границите на флуктуациите се различават повече от 25 пъти. Пример за това са два рязко различни градиента: 1) 150 o на 1 km в Орегон (САЩ), 2) 6 o на 1 km регистрирани в Южна Африка. Според тези геотермални градиенти, геотермалната стъпка също се променя от 6,67 m в първия случай до 167 m във втория. Най-честите колебания в градиента са в рамките на 20-50 o , а геотермалната стъпка е 15-45 м. Средният геотермален градиент отдавна се приема за 30 o C на 1 km.

Според В. Н. Жарков геотермалния градиент в близост до повърхността на Земята се оценява на 20 o C на 1 km. Въз основа на тези две стойности на геотермалния градиент и неговата инвариантност дълбоко в Земята, тогава на дълбочина от 100 km трябва да има температура от 3000 или 2000 o C. Това обаче противоречи на действителните данни. Именно на тези дълбочини периодично възникват магмени камери, от които лавата се излива на повърхността, като максимална температура 1200-1250 o. Имайки предвид този вид "термометър", редица автори (В. А. Любимов, В. А. Магнитски) смятат, че на дълбочина 100 km температурата не може да надвишава 1300-1500 o C.

При по-високи температури скалите на мантията биха били напълно разтопени, което противоречи на свободното преминаване на напречните сеизмични вълни. По този начин средният геотермален градиент може да бъде проследен само до някаква относително малка дълбочина от повърхността (20-30 км), а след това трябва да намалява. Но дори и в този случай на едно и също място промяната на температурата с дълбочина не е равномерна. Това може да се види в примера за промяна на температурата с дълбочина по Колския кладенец, разположен в стабилния кристален щит на платформата. При полагането на този кладенец се очакваше геотермален градиент от 10 o на 1 km и следователно на проектна дълбочина (15 km) се очакваше температура от порядъка на 150 o C. Такъв градиент обаче беше само до дълбочина 3 km, а след това започна да се увеличава с 1,5-2,0 пъти. На дълбочина 7 km температурата е била 120 o C, на 10 km -180 o C, на 12 km -220 o C. Предполага се, че на проектната дълбочина температурата ще бъде близка до 280 o C. Вторият пример са данни от кладенец, заложен в Северен Каспий, в района на по-активен ендогенен режим. В него на дълбочина 500 m температурата се оказа 42,2 o C, на 1500 m - 69,9 o C, на 2000 m - 80,4 o C, на 3000 m - 108,3 o C.

Каква е температурата в по-дълбоките зони на мантията и ядрото на Земята? Повече или по-малко надеждни данни са получени за температурата на основата на слоя В в горната мантия (виж фиг. 1.6). Според В. Н. Жарков, "подробните изследвания на фазовата диаграма на Mg 2 SiO 4 - Fe 2 Si0 4 позволиха да се определи референтната температура на дълбочина, съответстваща на първата зона на фазовите преходи (400 km)" (т.е. преходът на оливин към шпинел). Температурата тук в резултат на тези изследвания е около 1600 50 o C.

Въпросът за разпределението на температурите в мантията под слой В и в ядрото на Земята все още не е решен и затова се изказват различни мнения. Може само да се предположи, че температурата се повишава с дълбочина със значително намаляване на геотермалния градиент и увеличаване на геотермалната стъпка. Предполага се, че температурата в ядрото на Земята е от порядъка на 4000-5000 o C.

Средно аритметично химичен съставЗемята. За да се съди за химичния състав на Земята, се използват данни за метеорити, които са най-вероятните образци на протопланетния материал, от който са се образували планетите от земната група и астероидите. Към днешна дата много метеорити, паднали на Земята по различно време и на различни места, са добре проучени. Според състава се разграничават три вида метеорити: 1) желязо,състоящ се главно от никелово желязо (90-91% Fe), с малка добавка на фосфор и кобалт; 2) желязо-каменен(сидеролити), състоящи се от железни и силикатни минерали; 3) камък,или аеролити,състоящ се главно от желязо-магнезиеви силикати и включвания на никелово желязо.

Най-разпространени са каменните метеорити - около 92,7% от всички находки, каменните железни 1,3% и железните 5,6%. Каменните метеорити се делят на две групи: а) хондрити с малки закръглени зърна - хондрули (90%); б) ахондрити, които не съдържат хондрули. Съставът на каменните метеорити е близък до този на ултраосновните магмени скали. Според М. Бот те съдържат около 12% желязо-никелова фаза.

Въз основа на анализа на състава на различни метеорити, както и на получените експериментални геохимични и геофизични данни, редица изследователи дават съвременна оценка на брутния елементен състав на Земята, представен в табл. 1.3.

Както се вижда от данните в таблицата, повишеното разпределение се отнася за четирите най-важни елемента - O, Fe, Si, Mg, съставляващи над 91%. Групата на по-рядко срещаните елементи включва Ni, S, Ca, A1. Други елементи периодична системаМенделеев в световен мащаб по общо разпространение са от второстепенно значение. Ако сравним дадените данни със състава на земната кора, можем ясно да видим значителна разлика, състояща се в рязко намаляване на O, Al, Si и значително увеличение на Fe, Mg и появата на S и Ni в забележими количества.

Формата на земята се нарича геоид.За дълбоката структура на Земята се съди по надлъжни и напречни сеизмични вълни, които, разпространявайки се вътре в Земята, изпитват пречупване, отражение и затихване, което показва стратификацията на Земята. Има три основни области:

Земната кора;

мантия: горна до дълбочина 900 km, долна до дълбочина 2900 km;

ядрото на Земята е външно до дълбочина 5120 km, вътрешно до дълбочина 6371 km.

Вътрешната топлина на Земята е свързана с разпадането на радиоактивни елементи - уран, торий, калий, рубидий и др. Средната стойност на топлинния поток е 1,4-1,5 μkal / cm 2. s.

1. Каква е формата и размерите на Земята?

2. Какви са методите за изследване на вътрешния строеж на Земята?

3. Какъв е вътрешният строеж на Земята?

4. Какви сеизмични участъци от първи ред са ясно разграничени при анализа на структурата на Земята?

5. Какви са границите на участъците на Мохорович и Гутенберг?

6. Каква е средната плътност на Земята и как се променя тя на границата между мантията и ядрото?

7. Как се променя топлинният поток в различните зони? Как се разбира промяната в геотермалния градиент и геотермалната стъпка?

8. Какви данни се използват за определяне на средния химичен състав на Земята?

Литература

• Войткевич Г.В.Основи на теорията за произхода на Земята. М., 1988.

• Жарков В.Н.Вътрешно устройство на Земята и планетите. М., 1978.

• Магнитски V.A.Вътрешен строеж и физика на Земята. М., 1965.

• Есетасравнителна планетология. М., 1981.

• Ringwood A.E.Състав и произход на Земята. М., 1981.

"Използване на нископотенциална топлинна енергия на земята в термопомпени системи"

Василиев Г.П., Научен ръководител OJSC INSOLAR-INVEST, доктор на техническите науки, председател на Съвета на директорите на OJSC INSOLAR-INVEST
Н. В. Шилкин, инженер, НИИСФ (Москва)

Рационално използване на горивни и енергийни ресурсиднес е един от глобалните световни проблеми, чието успешно решаване очевидно ще бъде от решаващо значение не само за по-нататъшното развитие на световната общност, но и за запазването на нейното местообитание. Един от обещаващите начини за решаване на този проблем е прилагане на нови енергоспестяващи технологииизползване на нетрадиционни възобновяеми енергийни източници (NRES)Изчерпването на традиционните изкопаеми горива и екологичните последици от изгарянето им доведоха до значително увеличаване на интереса към тези технологии в почти всички страни през последните десетилетия. развити странимир.

Предимствата на използваните технологии за топлоснабдяване в сравнение с традиционните им колеги са свързани не само със значително намаляване на разходите за енергия в системите за поддържане на живота на сгради и конструкции, но и с тяхната екологичност, както и с нови възможности в областта на повишаване на степента на автономност на животоподдържащите системи. Очевидно в близко бъдеще именно тези качества ще бъдат от решаващо значение за формирането на конкурентна ситуация на пазара на оборудване за генериране на топлина.

Анализ на възможните области на приложение в руската икономика на използването на енергоспестяващи технологии нетрадиционни източници на енергия, показва, че в Русия най-обещаващата област за тяхното внедряване са системите за поддържане на живота на сградите. В същото време широкото използване на термопомпени топлоснабдителни системи (TST), използвайки почвата на повърхностните слоеве на Земята като повсеместно достъпен източник на топлина с нисък потенциал.

Използвайки Земната топлинаИма два вида топлинна енергия - високопотенциална и нископотенциална. Източникът на високопотенциална топлинна енергия са хидротермалните ресурси - термални води, нагрети до висока температура в резултат на геоложки процеси, което им позволява да се използват за топлоснабдяване на сгради. Използването на високопотенциалната топлина на Земята обаче е ограничено до райони с определени геоложки параметри. В Русия това е например Камчатка, района на кавказките минерални води; в Европа източници на топлина с висок потенциал има в Унгария, Исландия и Франция.

За разлика от "директното" използване на топлина с висок потенциал (хидротермални ресурси), използване на нискокачествена топлина на Земятачрез термопомпи е възможно почти навсякъде. В момента това е една от най-бързо развиващите се области на употреба нетрадиционни възобновяеми енергийни източници.

Нископотенциална топлина на Земятамогат да се използват в различни видове сгради и съоръжения по много начини: за отопление, топла вода, климатизация (охлаждане), отопление на пътеки през зимния сезон, за предотвратяване на заледяване, отопление на полета на открити стадиони и др. В англоезичната техническа литература такива системи се наричат ​​​​"GHP" - "геотермални термопомпи", геотермални термопомпи.

Климатичните характеристики на страните от Централна и Северна Европа, които заедно със САЩ и Канада са основните райони за използване на нискокачествена топлина на Земята, определят главно необходимостта от отопление; охлаждане на въздуха, дори през лятото, се налага относително рядко. Следователно, за разлика от Съединените щати, термопомпив европейските страни работят предимно в режим на отопление. В САЩ термопомписе използват по-често в системи за въздушно отопление, комбинирани с вентилация, което позволява както отопление, така и охлаждане на външния въздух. В европейските страни термопомпичесто се използва в системи за отопление на вода. Тъй като ефективност на термопомпатаувеличава с намаляване на температурната разлика между изпарителя и кондензатора, системите за подово отопление често се използват за отопление на сгради, в които циркулира охлаждаща течност с относително ниска температура (35–40 °C).

Мнозинство термопомпив Европа, проектирани да използват ниската топлина на Земята, са оборудвани с електрически задвижвани компресори.

През последните десет години броят на системите, които използват нискокачествената топлина на Земята за топлоснабдяване и охлаждане на сгради чрез термопомпи, се увеличи значително. Най-много такива системи се използват в САЩ. Голям брой такива системи работят в Канада и страните от Централна и Северна Европа: Австрия, Германия, Швеция и Швейцария. Швейцария е лидер в използването на нискокачествена топлинна енергия на Земята на глава от населението. В Русия през последните десет години, използвайки технологии и с участието на INSOLAR-INVEST OJSC, която е специализирана в тази област, са построени само няколко обекта, най-интересните от които са представени в.

В Москва, в микрорайон Никулино-2, всъщност за първи път а термопомпена система за топла водамногоетажна жилищна сграда. Този проект е реализиран през 1998-2002 г. от Министерството на отбраната на Руската федерация съвместно с правителството на Москва, Министерството на промишлеността и науката на Русия, Асоциацията NP ABOK и в рамките на „Дългосрочна програма за спестяване на енергия в Москва“.

Като нископотенциален източник на топлинна енергия за изпарителите на термопомпи се използва топлината на почвата на повърхностните слоеве на Земята, както и топлината на отстранения вентилационен въздух. Инсталацията за подготовка на топла вода е разположена в сутерена на сградата. Той включва следните основни елементи:

• термопомпени инсталации с компресия на пара (HPU);
• Резервоари за съхранение на топла вода;
• системи за събиране на нискокачествена топлинна енергия на почвата и нискокачествена топлина на отвеждания вентилационен въздух;
• циркулационни помпи, уреди

Основният топлообменен елемент на системата за събиране на нискокачествена земна топлина са вертикални коаксиални земни топлообменници, разположени отвън по периметъра на сградата. Тези топлообменници са 8 кладенци с дълбочина от 32 до 35 m всеки, разположени в близост до къщата. Тъй като режимът на работа на термопомпите използва топлината на земятаи топлината на отстранения въздух е постоянна, докато консумацията на топла вода е променлива, системата за захранване с гореща вода е оборудвана с резервоари за съхранение.

Данни, оценяващи световното ниво на използване на нископотенциална топлинна енергия на Земята с помощта на термопомпи, са дадени в таблицата.

Таблица 1. Световно ниво на използване на нископотенциална топлинна енергия на Земята чрез термопомпи

Почвата като източник на нископотенциална топлинна енергия

Като източник на топлинна енергия с нисък потенциал могат да се използват подпочвени води с относително ниска температура или почвата на повърхностните (до 400 m дълбочина) слоеве на Земята.. Топлосъдържанието на почвената маса като цяло е по-високо. Топлинният режим на почвата на повърхностните слоеве на Земята се формира под въздействието на два основни фактора - падащата на повърхността слънчева радиация и потокът на радиогенна топлина от земните недра. Сезонните и ежедневните промени в интензивността на слънчевата радиация и външната температура причиняват колебания в температурата на горните слоеве на почвата. Дълбочината на проникване на дневните колебания в температурата на външния въздух и интензитета на падащата слънчева радиация, в зависимост от конкретните почвено-климатични условия, варира от няколко десетки сантиметра до един и половина метра. Дълбочината на проникване на сезонните колебания в температурата на външния въздух и интензитета на падащата слънчева радиация по правило не надвишава 15–20 m.

Температурният режим на почвените слоеве, разположени под тази дълбочина („неутрална зона“), се формира под въздействието на топлинна енергия, идваща от недрата на Земята, и практически не зависи от сезонните и още повече от ежедневните промени в параметрите на външния климат (фиг. 1).

Ориз. 1. Графика на промените в температурата на почвата в зависимост от дълбочината

С увеличаване на дълбочината температурата на почвата се повишава в съответствие с геотермалния градиент (приблизително 3 градуса C на всеки 100 m). Големината на потока радиогенна топлина, идваща от недрата на земята, варира за различните населени места. За Централна Европатази стойност е 0,05–0,12 W/m2.

По време на експлоатационния период почвената маса, разположена в зоната на термично въздействие на регистъра на тръбите на почвения топлообменник на системата за събиране на нискокачествена земна топлина (система за събиране на топлина), поради сезонни промени в параметрите на външния климат, както и под въздействието на експлоатационни натоварвания върху системата за събиране на топлина, като правило, се подлага на многократно замръзване и размразяване. В същото време, естествено, има промяна агрегатно състояниевлага, съдържаща се в порите на почвата и разположена в общия случай както в течната, така и в твърдата и газообразната фаза едновременно. С други думи, почвената маса на системата за събиране на топлина, независимо от състоянието, в което се намира (замръзнала или размразена), е сложна трифазна полидисперсна хетерогенна система, чийто скелет е образуван от огромен брой твърди частици с различни форми и размери и може да бъде както твърд, така и подвижен, в зависимост от това дали частиците са здраво свързани помежду си или дали са разделени една от друга от вещество в подвижната фаза. Междинните пространства между твърдите частици могат да бъдат запълнени с минерализирана влага, газ, пара и лед или и двете. Моделирането на процесите на топло- и масообмен, които формират топлинния режим на такава многокомпонентна система, е изключително сложна задача, тъй като изисква отчитане и математическо описание на различни механизми за тяхното осъществяване: топлопроводимост в отделна частица, пренос на топлина от една частица към друга при техния контакт, молекулярна топлопроводимост в среда, която запълва празнините между частиците, конвекция на пара и влага, съдържащи се в пространството на порите, и много други.

Специално внимание трябва да се обърне на влиянието на влажността на почвената маса и миграцията на влагата в нейното порово пространство върху топлинните процеси, които определят характеристиките на почвата като източник на нископотенциална топлинна енергия.

В капилярно-порестите системи, които представляват почвената маса на системата за събиране на топлина, наличието на влага в пространството на порите оказва значително влияние върху процеса на разпределение на топлината. Правилното отчитане на това влияние днес е свързано със значителни трудности, които са свързани преди всичко с липсата на ясни идеи за естеството на разпределението на твърдите, течните и газообразните фази на влагата в определена структура на системата. Природата на силите на свързване на влагата със скелетните частици, зависимостта на формите на свързване на влагата с материала на различни етапи на овлажняване и механизмът на движение на влагата в пространството на порите все още не са изяснени.

Ако има температурен градиент в дебелината на почвената маса, молекулите на парата се придвижват към места с по-нисък температурен потенциал, но в същото време под действието на гравитационните сили възниква противоположно насочен поток на влага в течната фаза. В допълнение, влагата влияе върху температурния режим на горните слоеве на почвата. валежикакто и подпочвените води.

Основните фактори, под въздействието на които се формират температурен режимсистеми за събиране на почвена маса за почвена топлина с нисък потенциал са показани на фиг. 2.

Ориз. 2. Фактори, под влияние на които се формира температурния режим на почвата

Видове системи за използване на нископотенциална топлинна енергия на Земята

Земните топлообменници се свързват термопомпено оборудванес почвена маса. Освен за "извличане" на топлината на Земята, земните топлообменници могат да се използват и за акумулиране на топлина (или студ) в земния масив.

В общия случай могат да се разграничат два вида системи за използване на нископотенциалната топлинна енергия на Земята:

• отворени системи:като източник на топлинна енергия с нисък потенциал се използват подземни води, които се подават директно към термопомпи;
• затворени системи:топлообменниците са разположени в почвения масив; когато охлаждащата течност циркулира през тях с температура, по-ниска спрямо земята, топлинната енергия се „избира“ от земята и се прехвърля към изпарителя топлинна помпа(или при използване на охлаждаща течност с повишена температура спрямо земята, нейното охлаждане).

Основната част от отворените системи са кладенци, които позволяват извличане на подземни води от водоносни хоризонти на почвата и връщане на водата обратно в същите водоносни хоризонти. Обикновено за това се подреждат сдвоени кладенци. Диаграма на такава система е показана на фиг. 3.

Ориз. 3. Схема на отворена система за използване на нископотенциална топлинна енергия на подземни води

Предимството на отворените системи е възможността за получаване на голямо количество топлинна енергия при относително ниски разходи. Кладенците обаче изискват поддръжка. Освен това използването на такива системи не е възможно във всички области. Основните изисквания към почвата и подземните води са следните:

• достатъчна пропускливост на почвата, позволяваща попълване на водните запаси;
• добър химичен състав на подпочвените води (напр. ниско съдържание на желязо), за да се избегнат проблеми с котлен камък и корозия на тръбите.

Отворените системи се използват по-често за отопление или охлаждане на големи сгради. Най-голямата геотермална термопомпена система в светаизползва подпочвените води като източник на топлинна енергия с нисък потенциал. Тази система се намира в САЩ в Луисвил, Кентъки. Системата се използва за топлоснабдяване и студоснабдяване на хотелско-офисен комплекс; мощността му е около 10 MW.

Понякога системите, които използват топлината на Земята, включват системи за използване на нискокачествена топлина от открити водни тела, естествени и изкуствени. Този подход е възприет по-специално в Съединените щати. Системите, използващи нискокачествена топлина от резервоари, се класифицират като отворени, както и системите, използващи нискокачествена топлина от подпочвените води.

Затворените системи от своя страна се делят на хоризонтални и вертикални.

Хоризонтален земен топлообменник(в англоезичната литература се използват и термините „наземен топлинен колектор“ и „хоризонтален контур“) обикновено се разполага в близост до къщата на малка дълбочина (но под нивото на замръзване на почвата през зимата). Използването на хоризонтални земни топлообменници е ограничено от размера на наличното място.

В страните от Западна и Централна Европа хоризонталните земни топлообменници обикновено представляват отделни тръби, положени сравнително плътно и свързани една с друга последователно или паралелно (фиг. 4а, 4б). За да се спести площ на обекта, са разработени подобрени видове топлообменници, например топлообменници под формата на спирала, разположени хоризонтално или вертикално (фиг. 4e, 4f). Тази форма на топлообменници е често срещана в САЩ.

Ориз. 4. Видове хоризонтални земни топлообменници
а - топлообменник от последователно свързани тръби;
b - топлообменник от паралелни тръби;
c - хоризонтален колектор, положен в изкоп;
d - топлообменник под формата на контур;
e - топлообменник под формата на спирала, разположен хоризонтално (т.нар. "Slinky" колектор;
e - топлообменник под формата на спирала, разположен вертикално

Ако система с хоризонтални топлообменници се използва само за генериране на топлина, нейната нормална работа е възможна само ако има достатъчно топлинен поток от земната повърхност поради слънчевата радиация. Поради тази причина повърхността над топлообменниците трябва да бъде изложена на слънчева светлина.

Вертикални земни топлообменници(в англоезичната литература е прието обозначението "BHE" - "borehole heat exchanger") позволяват използването на нископотенциална топлинна енергия на почвената маса, разположена под "неутралната зона" (10–20 m от нивото на земята). Системите с вертикални наземни топлообменници не изискват големи площи и не зависят от интензитета на слънчевата радиация, падаща върху повърхността. Вертикалните земни топлообменници работят ефективно в почти всички видове геоложки среди, с изключение на почви с ниска топлопроводимост, като сух пясък или сух чакъл. Системите с вертикални земни топлообменници са много разпространени.

Схемата за отопление и топла вода на еднофамилна жилищна сграда с помощта на термопомпена инсталация с вертикален наземен топлообменник е показана на фиг. 5.

Ориз. 5. Схема за отопление и топла вода на еднофамилна жилищна сграда с помощта на термопомпена установка с вертикален наземен топлообменник

Охлаждащата течност циркулира през тръби (най-често полиетиленови или полипропиленови), положени във вертикални кладенци с дълбочина от 50 до 200 м. Обикновено се използват два вида вертикални земни топлообменници (фиг. 6):

• U-образен топлообменник, който представлява две успоредни тръби, свързани в долната част. Една или две (по-рядко три) двойки такива тръби са разположени в един кладенец. Предимството на такава схема е сравнително ниската производствена цена. Двойните U-образни топлообменници са най-широко използваният тип вертикални наземни топлообменници в Европа.
• Коаксиален (концентричен) топлообменник. Най-простият коаксиален топлообменник се състои от две тръби с различен диаметър. Тръба с по-малък диаметър се поставя в друга тръба. Коаксиалните топлообменници могат да бъдат с по-сложни конфигурации.

Ориз. 6. Разрез различни видовевертикални земни топлообменници

За да се увеличи ефективността на топлообменниците, пространството между стените на кладенеца и тръбите е запълнено със специални топлопроводими материали.

Системи с вертикални наземни топлообменници могат да се използват за отопление и охлаждане на сгради с различни размери. За малка сграда е достатъчен един топлообменник; за големи сгради може да се наложи цяла група кладенци с вертикални топлообменници. Най-много кладенци в света се използват в системата за отопление и охлаждане на Richard Stockton College в американския щат Ню Джърси. Вертикалните наземни топлообменници на този колеж са разположени в 400 кладенци с дълбочина 130 м. В Европа най-голям брой кладенци (154 кладенци с дълбочина 70 м) се използват в системата за отопление и охлаждане на централния офис на Германската служба за контрол на въздушното движение („Deutsche Flug-sicherung“).

Специален случай на вертикални затворени системи е използването на строителни конструкции като почвени топлообменници, например фундаментни пилоти с вградени тръбопроводи. Разрезът на такава купчина с три контура на почвен топлообменник е показан на фиг. 7.

Ориз. 7. Схема на земни топлообменници, вградени в фундаментните пилоти на сградата и напречното сечение на такава купчина

Земната маса (в случай на вертикални земни топлообменници) и строителни конструкции с земни топлообменници могат да се използват не само като източник, но и като естествен акумулатор на топлинна енергия или "студ", например топлина от слънчева радиация.

Има системи, които не могат да бъдат ясно класифицирани като отворени или затворени. Например един и същи дълбок (от 100 до 450 m дълбочина) кладенец, пълен с вода, може да бъде както производствен, така и инжекционен. Диаметърът на кладенеца обикновено е 15 см. В долната част на кладенеца се поставя помпа, чрез която водата от кладенеца се подава към изпарителите на термопомпата. Обратната вода се връща в горната част на водния стълб в същия кладенец. Има постоянно презареждане на кладенеца с подземни води, а отворената система работи като затворена. Системи от този тип в англоезичната литература се наричат ​​"стояща колонна кладенна система" (фиг. 8).

Ориз. 8. Схема на кладенеца тип "стоящ колонен кладенец"

Обикновено кладенци от този тип се използват и за захранване на сградата с питейна вода.. Такава система обаче може да работи ефективно само в почви, които осигуряват постоянно снабдяване с вода в кладенеца, което го предпазва от замръзване. Ако водоносният хоризонт е твърде дълбок, ще е необходима мощна помпа за нормалното функциониране на системата, което изисква увеличени разходи за енергия. Голямата дълбочина на кладенеца причинява доста висока цена на такива системи, така че те не се използват за топлоснабдяване и охлаждане на малки сгради. Сега има няколко такива системи в света в САЩ, Германия и Европа.

Една от перспективните области е използването на вода от мини и тунели като източник на нискокачествена топлинна енергия. Температурата на тази вода е постоянна през цялата година. Водата от мини и тунели е лесно достъпна.

"Устойчивост" на системи за използване на нискокачествена топлина на Земята

По време на работа на почвения топлообменник може да възникне ситуация, когато през отоплителния сезон температурата на почвата в близост до почвения топлообменник намалява, а през лятото почвата няма време да се затопли до първоначалната температура - нейният температурен потенциал намалява. Разходът на енергия през следващия отоплителен сезон води до още по-голямо понижаване на температурата на почвата и нейният температурен потенциал допълнително намалява. Това налага проектирането на системата използване на нискокачествена топлина на Земятаразгледайте проблема за "стабилността" (устойчивостта) на такива системи. Често енергийните ресурси се използват много интензивно за намаляване на периода на изплащане на оборудването, което може да доведе до бързото им изчерпване. Следователно е необходимо да се поддържа такова ниво на производство на енергия, което би позволило използването на източника на енергийни ресурси. дълго време. Тази способност на системите да поддържат необходимото ниво на производство на топлина за дълго време се нарича "устойчивост". За системи с нисък потенциал Земната топлинададено е следното определение за стабилност: „За всяка система за използване на нископотенциалната топлина на Земята и за всеки режим на работа на тази система има някои максимално нивопроизводство на енергия; производството на енергия под това ниво може да се поддържа дълго време (100–300 години).“

Проведен в OJSC INSOLAR-INVESTПроучванията показват, че консумацията на топлинна енергия от почвената маса до края на отоплителния сезон води до намаляване на температурата на почвата в близост до регистъра на тръбите на системата за събиране на топлина, което при почвените и климатични условия на по-голямата част от територията на Русия няма време да компенсира през летния сезон и до началото на следващия отоплителен сезон почвата излиза с намален температурен потенциал. Консумацията на топлинна енергия през следващия отоплителен сезон води до по-нататъшно понижаване на температурата на почвата и до началото на третия отоплителен сезон нейният температурен потенциал се различава още повече от естествения. И така нататък. Обвивките на топлинното влияние на дългосрочната работа на системата за събиране на топлина върху естествения температурен режим на почвата имат ясно изразен експоненциален характер и до петата година на работа почвата влиза в нов режим, близък до периодичния, т.е. от петата година на работа дългосрочното потребление на топлинна енергия от почвения масив на системата за събиране на топлина е придружено от периодични промени в нейната температура. Така при проектирането термопомпени отоплителни системиизглежда необходимо да се вземе предвид спадът на температурите на почвения масив, причинен от дългосрочната експлоатация на системата за събиране на топлина, и да се използват температурите на почвения масив, очаквани за 5-та година от експлоатацията на TST като проектни параметри.

В комбинирани системи, използван както за топлоснабдяване, така и за студоснабдяване, топлинният баланс се настройва „автоматично“: през зимата (необходимо е топлоснабдяване), почвената маса се охлажда, през лятото (необходимо е студено захранване), почвената маса се нагрява. В системи, използващи нискокачествена топлина на подпочвените води, има постоянно попълване на водните резерви поради просмукване на вода от повърхността и вода, идваща от по-дълбоките слоеве на почвата. По този начин топлинното съдържание на подземните води се увеличава както "отгоре" (поради топлината на атмосферния въздух), така и "отдолу" (поради топлината на Земята); стойността на топлинната печалба "отгоре" и "отдолу" зависи от дебелината и дълбочината на водоносния хоризонт. Благодарение на тези преноси на топлина температурата на подпочвените води остава постоянна през целия сезон и се променя малко по време на работа.

При системи с вертикални земни топлообменници ситуацията е различна.Когато топлината се отстрани, температурата на почвата около почвения топлообменник намалява. Намаляването на температурата се влияе както от конструктивните характеристики на топлообменника, така и от режима на неговата работа. Например, в системи с високи стойности на разсейване на топлината (няколко десетки вата на метър дължина на топлообменника) или в системи със земен топлообменник, разположен в почва с ниска топлопроводимост (например в сух пясък или сух чакъл), понижението на температурата ще бъде особено забележимо и може да доведе до замръзване на почвената маса около земния топлообменник.

Германски експерти измериха температурата на почвения масив, в който е разположен вертикален почвен топлообменник с дълбочина 50 м, разположен близо до Франкфурт на Майн. За целта са пробити 9 кладенци с еднаква дълбочина около основния кладенец на разстояние 2,5, 5 и 10 m. Във всичките десет кладенци са монтирани температурни сензори на всеки 2 м - общо 240 сензора. На фиг. Фигура 9 показва диаграми, показващи разпределението на температурата в почвената маса около вертикалния почвен топлообменник в началото и в края на първия отоплителен сезон. В края на отоплителния сезон ясно се вижда намаляване на температурата на почвената маса около топлообменника. Има топлинен поток, насочен към топлообменника от заобикалящата почвена маса, който частично компенсира понижението на температурата на почвата, причинено от "подбора" на топлина. Големината на този поток в сравнение с големината на топлинния поток от земните недра в дадена област (80–100 mW/sq.m) се оценява доста високо (няколко вата на квадратен метър).

Ориз. Фиг. 9. Схеми на разпределение на температурата в почвената маса около вертикалния почвен топлообменник в началото и в края на първия отоплителен сезон

Тъй като вертикалните топлообменници започнаха да стават относително широко разпространени преди около 15-20 години, в целия свят липсват експериментални данни, получени по време на дългосрочни (няколко десетки години) периоди на работа на системи с топлообменници от този тип. Възниква въпросът за стабилността на тези системи, за тяхната надеждност за дълги периоди на работа. Нископотенциалната топлина на Земята възобновяем енергиен източник ли е? Какъв е периодът на "обновяване" на този източник?

При функциониране на селско училище в Ярославска областоборудвани термопомпена система, използвайки вертикален земен топлообменник, средните стойности на специфичното топлоотвеждане бяха на ниво 120–190 W/rm. m дължина на топлообменника.

От 1986 г. в Швейцария близо до Цюрих се провеждат изследвания върху система с вертикални земни топлообменници. В почвения масив е разположен вертикален наземен топлообменник от коаксиален тип с дълбочина 105 м. Този топлообменник е използван като източник на нискокачествена топлинна енергия за термопомпена система, монтирана в еднофамилна жилищна сграда. Вертикалният земен топлообменник осигурява пикова мощност от приблизително 70 вата на метър дължина, което създава значително топлинно натоварване върху околната земна маса. Годишното производство на топлинна енергия е около 13 MWh

На разстояние 0,5 и 1 m от основния кладенец са пробити два допълнителни кладенеца, в които са монтирани температурни датчици на дълбочина 1, 2, 5, 10, 20, 35, 50, 65, 85 и 105 m, след което кладенците са запълнени с глинесто-циментова смес. Температурата се измерва на всеки тридесет минути. В допълнение към температурата на земята бяха записани и други параметри: скорост на охлаждащата течност, консумация на енергия от задвижването на компресора на термопомпата, температура на въздуха и др.

Първият период на наблюдение е от 1986 до 1991 г. Измерванията показаха, че влиянието на топлината на външния въздух и слънчевата радиация се отбелязва в повърхностния слой на почвата на дълбочина до 15 м. Под това ниво топлинният режим на почвата се формира главно от топлината на земните недра. През първите 2-3 години от експлоатацията температура на земната маса, около вертикалния топлообменник, спада рязко, но всяка година спадът на температурата намалява и след няколко години системата достига режим, близък до постоянния, когато температурата на почвената маса около топлообменника става по-ниска от първоначалната с 1–2 °C.

През есента на 1996 г., десет години след началото на работата на системата, измерванията бяха възобновени. Тези измервания показаха, че температурата на земята не се е променила значително. През следващите години бяха регистрирани леки колебания в температурата на земята в рамките на 0,5 градуса C, в зависимост от годишния отоплителен товар. Така системата влезе в квазистационарен режим след първите няколко години на работа.

Въз основа на експерименталните данни бяха изградени математически модели на процесите, протичащи в почвения масив, което позволи да се направи дългосрочна прогноза за изменението на температурата на почвения масив.

Математическото моделиране показа, че годишното понижение на температурата постепенно ще намалява, а обемът на почвената маса около топлообменника, подложен на намаляване на температурата, ще се увеличава всяка година. В края на експлоатационния период започва процесът на регенерация: температурата на почвата започва да се повишава. Естеството на процеса на регенерация е подобно на естеството на процеса на "селекция" на топлина: през първите години на работа настъпва рязко повишаване на температурата на почвата, а през следващите години скоростта на повишаване на температурата намалява. Продължителността на периода на „регенерация“ зависи от продължителността на експлоатационния период. Тези два периода са приблизително еднакви. В този случай периодът на работа на земния топлообменник е тридесет години, а периодът на "регенерация" също се изчислява на тридесет години.

По този начин системите за отопление и охлаждане на сгради, използващи нискокачествената топлина на Земята, са надежден източник на енергия, който може да се използва навсякъде. Този източник може да се използва доста дълго време и може да бъде подновен в края на експлоатационния период.

Литература

1. Rybach L. Състояние и перспективи на геотермалните термопомпи (GHP) в Европа и по света; аспекти на устойчивостта на GHP. Международен курс по геотермални термопомпи, 2002 г

2. Василиев Г.П., Крундишев Н.С. Енергийно ефективно селско училище в района на Ярославъл. АБОК №5, 2002г

3. Sanner B. Земни източници на топлина за термопомпи (класификация, характеристики, предимства). 2002 г

4. Rybach L. Състояние и перспективи на геотермалните термопомпи (GHP) в Европа и по света; аспекти на устойчивостта на GHP. Международен курс по геотермални термопомпи, 2002 г

5. Работна група ORKUSTOFNUN, Исландия (2001): Устойчиво производство на геотермална енергия – предложено определение. IGA News бр. 43, януари-март 2001, 1-2

6. Rybach L., Sanner B. Земни термопомпени системи – европейският опит. GeoHeat Center Бул. 21/1, 2000 г

7. Спестяване на енергия с жилищни термопомпи в студен климат. Макси Брошура 08. КАДЕТ, 1997г

8. Atkinson Schaefer L. Единичен анализ на абсорбционна термопомпа под налягане. Дисертация, представена на академичния факултет. Технологичен институт на Джорджия, 2000 г

9. Морли Т. Обърната топлинна машина като средство за отопление на сгради, Инженерът 133: 1922

10. Fearon J. Историята и развитието на термопомпата, охлаждането и климатизацията. 1978 г

11. Василиев Г.П. Енергоефективни сгради с термопомпени системи за топлоснабдяване. Списание ZhKH, № 12, 2002 г

12. Указания за използване на термопомпи, използващи вторични енергийни ресурси и нетрадиционни възобновяеми енергийни източници. Москомархитектура. Държавно унитарно предприятие "NIAC", 2001 г

13. Енергийно ефективна жилищна сграда в Москва. АБОК №4, 1999г

14. Василиев Г.П. Енергийно ефективна експериментална жилищна сграда в микрорайон Никулино-2. АБОК №4, 2002г