Ar putea părea fantezie dacă nu ar fi adevărat. Se pare că, în condiții dure din Siberia, puteți obține căldură direct de la sol. Primele obiecte din sisteme geotermaleîncălzirea a apărut anul trecut în regiunea Tomsk și, deși pot reduce costul căldurii de aproximativ patru ori față de sursele tradiționale, încă nu există circulație în masă „sub pământ”. Dar tendința este vizibilă și, cel mai important, câștigă amploare. De fapt, aceasta este cea mai accesibilă sursă de energie alternativă pentru Siberia, unde panourile solare sau generatoarele eoliene, de exemplu, nu își pot arăta întotdeauna eficiența. Energia geotermală, de fapt, se află doar sub picioarele noastre.

„Adâncimea înghețului solului este de 2–2,5 metri. Temperatura solului sub acest semn rămâne aceeași atât iarna, cât și vara, variind de la plus unu la plus cinci grade Celsius. Loc de munca pompa de caldura construit pe această proprietate, - spune inginerul energetic al departamentului de educație al administrației regiunii Tomsk Roman Alekseenko. - Conductele de legătură sunt îngropate în conturul pământului la o adâncime de 2,5 metri, la o distanță de aproximativ un metru și jumătate una de cealaltă. Un lichid de răcire - etilenglicol - circulă în sistemul de conducte. Circuitul extern de pământ orizontal comunică cu unitatea frigorifică, în care circulă agentul frigorific - freon, un gaz cu punct de fierbere scăzut. La plus trei grade Celsius, acest gaz începe să fiarbă, iar când compresorul comprimă brusc gazul care fierbe, temperatura acestuia din urmă crește la plus 50 de grade Celsius. Gazul încălzit este trimis la un schimbător de căldură în care circulă apă distilată obișnuită. Lichidul se încălzește și împrăștie căldura în întregul sistem de încălzire așezat în podea.

Fizică pură și fără miracole

O grădiniță dotată cu un sistem modern de încălzire geotermal danez a fost deschisă în satul Turuntaevo de lângă Tomsk vara trecută. Potrivit directorului companiei din Tomsk Ecoclimat George Granin, sistemul eficient energetic a permis de mai multe ori reducerea plății pentru furnizarea de căldură. De opt ani, această întreprindere din Tomsk a echipat deja aproximativ două sute de obiecte în diferite regiuni ale Rusiei cu sisteme de încălzire geotermală și continuă să facă acest lucru în regiunea Tomsk. Deci nu există nicio îndoială în cuvintele lui Granin. Cu un an înainte de deschiderea unei grădinițe în Turuntaevo, Ecoclimat a echipat un sistem de încălzire geotermal, care a costat 13 milioane de ruble, un alt grădiniţă„Sunny Bunny” în microdistrictul Tomsk „Green Hills”. De fapt, a fost prima experiență de acest gen. Și a avut destul succes.

În 2012, în timpul unei vizite în Danemarca, organizată în cadrul programului Centrului de corespondență Euro Info (regiunea EICC-Tomsk), compania a reușit să cadă de acord asupra cooperării cu compania daneză Danfoss. Și astăzi, echipamentul danez ajută la extragerea căldurii din intestinele Tomsk și, după cum spun experții fără prea multă modestie, se dovedește destul de eficient. Principalul indicator al eficienței este economia. „Sistemul de încălzire pentru o clădire de grădiniță de 250 de metri pătrați din Turuntayevo a costat 1,9 milioane de ruble”, spune Granin. „Și taxa de încălzire este de 20-25 de mii de ruble pe an.” Această sumă este incomparabilă cu cea pe care grădinița ar plăti-o pentru căldură folosind surse tradiționale.

Sistemul a funcționat fără probleme în condițiile iernii siberiei. S-a efectuat un calcul al conformității echipamentelor termice cu standardele SanPiN, conform cărora acesta trebuie să mențină o temperatură de cel puțin + 19 ° C în clădirea grădiniței la o temperatură a aerului exterior de -40 ° C. În total, aproximativ patru milioane de ruble au fost cheltuite pentru reamenajarea, repararea și reechiparea clădirii. Împreună cu pompa de căldură, suma a fost puțin sub șase milioane. Datorită pompelor de căldură astăzi, încălzirea grădiniței este un sistem complet izolat și independent. Acum nu există baterii tradiționale în clădire, iar spațiul este încălzit folosind sistemul „pardoseală caldă”.

Grădinița Turuntayevsky este izolată, după cum se spune, „de la” și „până la” - în clădire este prevăzută izolație termică suplimentară: un strat de izolație de 10 cm echivalent cu două sau trei cărămizi este instalat deasupra peretelui existent (trei cărămizi gros). În spatele izolației este un spațiu de aer, urmat de siding metalic. Acoperișul este izolat în același mod. Atenția principală a constructorilor s-a concentrat pe „pardoseala caldă” - sistemul de încălzire al clădirii. Au rezultat mai multe straturi: o podea de beton, un strat de spumă de plastic de 50 mm grosime, un sistem de țevi în care circulă apă caldă și linoleum. Deși temperatura apei din schimbătorul de căldură poate ajunge la +50°C, încălzirea maximă a pardoselii efective nu depășește +30°C. Temperatura reală a fiecărei încăperi poate fi reglată manual - senzorii automati vă permit să setați temperatura podelei în așa fel încât camera de grădiniță să se încălzească la temperatura necesară. standardele sanitare grade.

Puterea pompei din grădina Turuntayevsky este de 40 kW de energie termică generată, pentru producerea căreia pompa de căldură necesită 10 kW de energie electrică. Astfel, din 1 kW consumat energie electrica Pompa de căldură produce 4 kW de căldură. „Ne-a fost puțin frică de iarnă - nu știam cum se vor comporta pompele de căldură. Dar chiar și în foarte rece a fost constant cald la grădiniță - de la plus 18 la 23 de grade Celsius, - spune directorul Turuntaevskaya liceu Evgheni Belonogov. - Desigur, aici merită să luați în considerare faptul că clădirea în sine a fost bine izolată. Echipamentul este nepretențios la întreținere și, în ciuda faptului că aceasta este o dezvoltare occidentală, s-a dovedit a fi destul de eficient în condițiile noastre dure din Siberia.”

Un proiect cuprinzător pentru schimbul de experiență în domeniul conservării resurselor a fost implementat de regiunea EICC-Tomsk a Camerei de Comerț și Industrie din Tomsk. Participanții săi au fost întreprinderi mici și mijlocii care dezvoltă și implementează tehnologii de economisire a resurselor. În mai anul trecut, experții danezi au vizitat Tomsk ca parte a unui proiect ruso-danez, iar rezultatul a fost, după cum se spune, evident.

Inovația vine la școală

O școală nouă în satul Vershinino, regiunea Tomsk, construită de un fermier Mihail Kolpakov, este a treia instalație din regiune care folosește căldura pământului ca sursă de căldură pentru încălzire și alimentare cu apă caldă. Școala este și unică pentru că are cea mai mare categorie de eficiență energetică – „A”. Sistemul de incalzire a fost proiectat si lansat de aceeasi firma Ecoclimat.

„Când decidem ce tip de încălzire să instalăm în școală, aveam mai multe opțiuni - o boiler pe cărbune și pompe de căldură”, spune Mikhail Kolpakov. - Am studiat experiența unei grădinițe eficiente din punct de vedere energetic din Zeleny Gorki și am calculat că încălzirea de modă veche, pe cărbune, ne va costa peste 1,2 milioane de ruble pe iarnă și avem nevoie și de apă caldă. Iar cu pompele de căldură, costul va fi de aproximativ 170 de mii pentru tot anul, împreună cu apa caldă.”

Sistemul are nevoie doar de energie electrică pentru a produce căldură. Consumând 1 kW de energie electrică, pompele de căldură dintr-o școală produc aproximativ 7 kW de energie termică. În plus, spre deosebire de cărbune și gaz, căldura pământului este o sursă de energie autoregenerabilă. Instalarea unui modern sistem de incalzireȘcoala a costat aproximativ 10 milioane de ruble. Pentru aceasta, pe terenul școlii au fost forate 28 de puțuri.

„Aritmetica aici este simplă. Am calculat că întreținerea cazanului pe cărbune, ținând cont de salariul focarului și de costul combustibilului, va costa mai mult de un milion de ruble pe an, - notează șeful departamentului de educație Serghei Efimov. - Când utilizați pompe de căldură, va trebui să plătiți pentru toate resursele aproximativ cincisprezece mii de ruble pe lună. Avantajele indubitabile ale folosirii pompelor de caldura sunt eficienta si respectarea mediului inconjurator. Sistemul de alimentare cu căldură vă permite să reglați alimentarea cu căldură în funcție de vremea de afară, ceea ce elimină așa-numita „subîncălzire” sau „supraîncălzire” a încăperii.

Conform calculelor preliminare, echipamentele daneze scumpe se vor amortiza în patru până la cinci ani. Durata de viață a pompelor de căldură Danfoss, cu care lucrează Ecoclimat LLC, este de 50 de ani. Primind informații despre temperatura aerului de afară, computerul stabilește când să încălzească școala și când este posibil să nu facă acest lucru. Prin urmare, problema datei pornirii și opririi încălzirii dispare cu totul. Indiferent de vreme, climatizarea va funcționa întotdeauna în afara ferestrelor din interiorul școlii pentru copii.

„Când Ambasadorul Extraordinar și Plenipotențiar al Regatului Danemarcei a venit anul trecut la întâlnirea cu toată Rusia și a vizitat grădinița noastră din Zeleniye Gorki, a fost plăcut surprins că acele tehnologii care sunt considerate inovatoare chiar și la Copenhaga sunt aplicate și funcționează în Tomsk. regiune, - spune directorul comercial al Ecoclimat Alexandru Granin.

În general, utilizarea surselor locale de energie regenerabilă în diverse sectoare ale economiei, în acest caz în sfera socială, care include școli și grădinițe, este unul dintre principalele domenii implementate în regiune ca parte a programului de economisire a energiei și eficiență energetică. Dezvoltarea energiei regenerabile este susținută activ de guvernatorul regiunii Serghei Zhvachkin. Și trei instituţiile bugetare cu un sistem de încălzire geotermală - doar primii pași către implementarea unui proiect amplu și promițător.

Grădinița din Zelenye Gorki a fost recunoscută drept cea mai bună unitate de eficiență energetică din Rusia la un concurs de la Skolkovo. Apoi a venit școala Vershininskaya cu încălzire geotermală, tot de cea mai înaltă categorie de eficiență energetică. Următorul obiect, nu mai puțin semnificativ pentru regiunea Tomsk, este o grădiniță din Turuntaevo. Anul acesta, companiile Gazhimstroyinvest și Stroygarant au început deja construcția de grădinițe pentru 80 și 60 de copii în satele din regiunea Tomsk, Kopylovo și, respectiv, Kandinka. Ambele noi instalații vor fi încălzite prin sisteme de încălzire geotermală - de la pompe de căldură. În total, în acest an, administrația raională intenționează să cheltuiască aproape 205 milioane de ruble pentru construcția de noi grădinițe și repararea celor existente. Este planificată reconstrucția și reechiparea clădirii pentru o grădiniță din satul Takhtamyshevo. În această clădire, încălzirea va fi implementată și prin intermediul pompelor de căldură, deoarece sistemul s-a dovedit bine.

Kirill Degtyarev, cercetător, Moscova Universitate de stat lor. M. V. Lomonosov.

La noi, bogată în hidrocarburi, energia geotermală este un fel de resursă exotică care, în starea actuală, este puțin probabil să concureze cu petrolul și gazele. Cu toate acestea, această formă alternativă de energie poate fi folosită aproape peste tot și destul de eficient.

Fotografie de Igor Konstantinov.

Modificarea temperaturii solului cu adâncimea.

Cresterea temperaturii apelor termale si rocilor uscate care le contin cu adancime.

Schimbarea temperaturii cu adâncimea în diferite regiuni.

Erupția vulcanului islandez Eyjafjallajökull este o ilustrare a proceselor vulcanice violente care au loc în zonele tectonice și vulcanice active cu un flux puternic de căldură din interiorul pământului.

Capacități instalate ale centralelor geotermale pe țări ale lumii, MW.

Distribuția resurselor geotermale pe teritoriul Rusiei. Rezervele de energie geotermală, conform experților, sunt de câteva ori mai mari decât rezervele de energie ale combustibililor organici fosili. Potrivit Asociației Societății de Energie Geotermală.

Energia geotermală este căldura din interiorul pământului. Este produsă în adâncuri și iese la suprafața Pământului în forme diferiteși cu intensități diferite.

Temperatura straturilor superioare ale solului depinde în principal de factori externi (exogeni) - lumina soarelui și temperatura aerului. Vara și ziua, solul se încălzește la anumite adâncimi, iar iarna și noaptea se răcește în urma schimbării temperaturii aerului și cu o oarecare întârziere, crescând odată cu adâncimea. Influența fluctuațiilor zilnice ale temperaturii aerului se termină la adâncimi de la câțiva până la câteva zeci de centimetri. Fluctuațiile sezoniere captează straturi mai adânci de sol - până la zeci de metri.

La o anumită adâncime - de la zeci la sute de metri - temperatura solului este menținută constantă, egală cu temperatura medie anuală a aerului de lângă suprafața Pământului. Acest lucru este ușor de verificat coborând într-o peșteră destul de adâncă.

Când temperatura medie anuală a aerului într-o anumită zonă este sub zero, aceasta se manifestă ca permafrost (mai precis, permafrost). În Siberia de Est, grosimea, adică grosimea, a solurilor înghețate pe tot parcursul anului ajunge pe alocuri la 200-300 m.

De la o anumită adâncime (proprie pentru fiecare punct de pe hartă), efectul Soarelui și al atmosferei slăbește atât de mult încât factorii endogeni (interni) vin pe primul loc și interiorul pământului este încălzit din interior, astfel încât temperatura începe să scadă. se ridică cu adâncimea.

Încălzirea straturilor profunde ale Pământului este asociată în principal cu dezintegrarea elementelor radioactive situate acolo, deși alte surse de căldură sunt denumite și, de exemplu, procese fizico-chimice, tectonice în straturile profunde ale scoarței și mantalei terestre. Dar oricare ar fi cauza, temperatura rocilor și a substanțelor lichide și gazoase asociate crește odată cu adâncimea. Minerii se confruntă cu acest fenomen - este întotdeauna cald în minele adânci. La o adâncime de 1 km, căldura de treizeci de grade este normală, iar mai adânc temperatura este și mai mare.

Fluxul de căldură din interiorul pământului, care ajunge la suprafața Pământului, este mic - în medie, puterea sa este de 0,03-0,05 W / m 2,
sau aproximativ 350 Wh/m 2 pe an. Pe fondul fluxului de căldură de la Soare și al aerului încălzit de acesta, aceasta este o valoare imperceptibilă: Soarele dă fiecare metru pătrat suprafața pământului aproximativ 4.000 kWh anual, adică de 10.000 de ori mai mult (desigur, aceasta este o medie, cu o răspândire uriașă între latitudinile polare și ecuatoriale și în funcție de alți factori climatici și meteorologici).

Nesemnificația fluxului de căldură de la adâncime la suprafață în cea mai mare parte a planetei este asociată cu conductivitatea termică scăzută a rocilor și particularitățile structurii geologice. Dar există și excepții - locuri în care fluxul de căldură este mare. Acestea sunt, în primul rând, zone de falii tectonice, activitate seismică crescută și vulcanism, unde energia din interiorul pământului găsește o cale de ieșire. Astfel de zone sunt caracterizate de anomalii termice ale litosferei, aici fluxul de căldură care ajunge la suprafața Pământului poate fi de multe ori și chiar ordine de mărime mai puternic decât cel „obișnuit”. O cantitate imensă de căldură este adusă la suprafață în aceste zone de erupțiile vulcanice și izvoarele termale de apă.

Aceste zone sunt cele mai favorabile pentru dezvoltarea energiei geotermale. Pe teritoriul Rusiei, acestea sunt, în primul rând, Kamchatka, Insulele Kurile și Caucazul.

În același timp, dezvoltarea energiei geotermale este posibilă aproape peste tot, deoarece creșterea temperaturii cu adâncimea este un fenomen omniprezent, iar sarcina este de a „extrage” căldura din intestine, la fel cum de acolo se extrag materiile prime minerale.

În medie, temperatura crește cu adâncimea cu 2,5-3 o C la fiecare 100 m. Raportul dintre diferența de temperatură dintre două puncte situate la adâncimi diferite și diferența de adâncime dintre ele se numește gradient geotermal.

Reciproca este treapta geotermală sau intervalul de adâncime la care temperatura crește cu 1 o C.

Cu cât gradientul este mai mare și, în consecință, cu cât treapta este mai mică, cu atât căldura adâncimii Pământului se apropie de suprafață și cu atât această zonă este mai promițătoare pentru dezvoltarea energiei geotermale.

În diferite zone, în funcție de structura geologică și de alte condiții regionale și locale, rata de creștere a temperaturii cu adâncimea poate varia dramatic. La scara Pământului, fluctuațiile valorilor gradienților și treptelor geotermale ajung la 25 de ori. De exemplu, în statul Oregon (SUA) gradientul este de 150 o C la 1 km, iar în Africa de Sud - 6 o C la 1 km.

Întrebarea este, care este temperatura la adâncimi mari - 5, 10 km sau mai mult? Dacă tendința continuă, temperatura la o adâncime de 10 km ar trebui să fie în medie de aproximativ 250-300 ° C. Acest lucru este mai mult sau mai puțin confirmat de observațiile directe în puțuri ultra adânci, deși imaginea este mult mai complicată decât o creștere liniară a temperaturii .

De exemplu, în puțul superadânc Kola forat în scutul cristalin baltic, temperatura se schimbă cu o rată de 10 o C / 1 km până la o adâncime de 3 km, iar apoi gradientul geotermal devine de 2-2,5 ori mai mare. La o adâncime de 7 km s-a înregistrat deja o temperatură de 120 o C, la 10 km - 180 o C, iar la 12 km - 220 o C.

Un alt exemplu este o fântână așezată în nordul Caspicului, unde la o adâncime de 500 m s-a înregistrat o temperatură de 42 o C, la 1,5 km - 70 o C, la 2 km - 80 o C, la 3 km - 108 o C.

Se presupune că gradientul geotermal scade începând de la o adâncime de 20-30 km: la o adâncime de 100 km, temperaturile estimate sunt de aproximativ 1300-1500 o C, la o adâncime de 400 km - 1600 o C, în adâncimea Pământului. miez (adâncimi de peste 6000 km) - 4000-5000 o CU.

La adâncimi de până la 10-12 km, temperatura se măsoară prin puțuri forate; acolo unde nu există, se determină prin semne indirecte la fel ca la adâncimi mai mari. Astfel de semne indirecte pot fi natura trecerii undelor seismice sau temperatura lavei care erupe.

Cu toate acestea, în scopul energiei geotermale, datele privind temperaturile la adâncimi mai mari de 10 km nu sunt încă de interes practic.

Există multă căldură la adâncimi de câțiva kilometri, dar cum să o ridicați? Uneori, natura însăși ne rezolvă această problemă cu ajutorul unui lichid de răcire natural - ape termale încălzite care ies la suprafață sau zac la o adâncime accesibilă nouă. În unele cazuri, apa din adâncuri este încălzită până la starea de abur.

Nu există o definiție strictă a conceptului de „ape termale”. De regulă, ele înseamnă apă subterană fierbinte în stare lichidă sau sub formă de abur, inclusiv cele care vin la suprafața Pământului cu o temperatură de peste 20 ° C, adică, de regulă, mai mare decât temperatura aerului.

Cald panza freatica, abur, amestecuri abur-apă - aceasta este energie hidrotermală. În consecință, energia bazată pe utilizarea sa se numește hidrotermală.

Situația este mai complicată cu producerea de căldură direct din roci uscate - energie petrotermală, mai ales că temperaturile suficient de ridicate, de regulă, încep de la adâncimi de câțiva kilometri.

Pe teritoriul Rusiei, potențialul energiei petrotermale este de o sută de ori mai mare decât cel al energiei hidrotermale - 3.500 și, respectiv, 35 de trilioane de tone de combustibil standard. Acest lucru este destul de natural - căldura adâncurilor Pământului este peste tot, iar apele termale se găsesc local. Cu toate acestea, din cauza unor dificultăți tehnice evidente, majoritatea apelor termale sunt utilizate în prezent pentru a produce căldură și electricitate.

Apele cu temperaturi de la 20-30 la 100 o C sunt potrivite pentru încălzire, temperaturi de la 150 o C și peste - și pentru generarea de energie electrică la centralele geotermale.

În general, resursele geotermale de pe teritoriul Rusiei, în ceea ce privește tonele de combustibil de referință sau orice altă unitate de măsură a energiei, sunt de aproximativ 10 ori mai mari decât rezervele de combustibili fosili.

Teoretic, numai energia geotermală ar putea satisface pe deplin nevoile energetice ale țării. Practic pe acest momentîn cea mai mare parte a teritoriului său, acest lucru nu este fezabil din motive tehnice și economice.

În lume, utilizarea energiei geotermale este asociată cel mai adesea cu Islanda - o țară situată la capătul nordic al creastului Mid-Atlantic, într-o zonă tectonică și vulcanică extrem de activă. Probabil că toată lumea își amintește de erupția puternică a vulcanului Eyjafjallajökull din 2010.

Datorită acestui specific geologic, Islanda are rezerve uriașe de energie geotermală, inclusiv izvoare termale care ies la suprafața Pământului și chiar țâșnesc sub formă de gheizere.

În Islanda, mai mult de 60% din toată energia consumată este preluată în prezent de pe Pământ. Inclusiv din cauza surselor geotermale, sunt asigurate 90% din încălzire și 30% din generarea de energie electrică. Adăugăm că restul energiei electrice din țară este produsă de centrale hidroelectrice, adică folosind și o sursă de energie regenerabilă, datorită căreia Islanda arată ca un fel de standard de mediu global.

„Îmblânzirea” energiei geotermale în secolul al XX-lea a ajutat în mod semnificativ Islanda termeni economici. Până la jumătatea secolului trecut, a fost o țară foarte săracă, acum ocupând primul loc în lume în ceea ce privește capacitatea instalată și producția de energie geotermală pe cap de locuitor, fiind în top zece în ceea ce privește capacitatea instalată absolută de energie geotermală. plantelor. Cu toate acestea, populația sa este de doar 300 de mii de oameni, ceea ce simplifică sarcina de a trece la surse de energie ecologice: nevoia este în general mică.

Pe lângă Islanda, o pondere mare a energiei geotermale în soldul total al producerii de energie electrică este asigurată de Noua Zeelandă și statele insulare din Asia de Sud-Est (Filipine și Indonezia), țări America Centralăși Africa de Est, al cărei teritoriu se caracterizează și prin activitate seismică și vulcanică ridicată. Pentru aceste țări, la nivelul lor actual de dezvoltare și nevoi, energia geotermală aduce o contribuție semnificativă la dezvoltarea socio-economică.

(Urmează sfârșitul.)

Pentru modelarea câmpurilor de temperatură și pentru alte calcule, este necesar să se cunoască temperatura solului la o anumită adâncime.

Temperatura solului la adâncime este măsurată cu ajutorul termometrelor de evacuare pentru adâncimea solului. Acestea sunt studii planificate care sunt efectuate în mod regulat. statii meteorologice. Datele de cercetare servesc drept bază pentru atlasele climatice și documentația de reglementare.

Pentru a obține temperatura solului la o anumită adâncime, puteți încerca, de exemplu, două moduri simple. Ambele metode se bazează pe utilizarea literaturii de referință:

1. Pentru o determinare aproximativă a temperaturii, puteți utiliza documentul TsPI-22. „Tranziții căi ferate conducte”. Aici, în cadrul metodologiei de calcul termic al conductelor, este dat Tabelul 1, unde pentru anumite regiuni climatice sunt date temperaturile solului în funcție de adâncimea de măsurare. Vă prezint mai jos acest tabel.

tabelul 1

1. Tabelul temperaturilor solului la diferite adâncimi dintr-o sursă „pentru a ajuta un lucrător al industriei gazelor” din vremurile URSS

Adâncimi normative de îngheț pentru unele orașe:

Adâncimea de înghețare a solului depinde de tipul de sol:

Cred că cea mai ușoară opțiune este să utilizați datele de referință de mai sus și apoi să interpolați.

Cea mai fiabilă opțiune pentru calcule precise folosind temperaturile solului este utilizarea datelor de la serviciile meteorologice. Pe baza serviciilor meteorologice funcționează unele directoare online. De exemplu, http://www.atlas-yakutia.ru/.

Aici este suficient să alegi localitate, tipul de sol și puteți obține o hartă a temperaturii solului sau datele acestuia în formă tabelară. În principiu, este convenabil, dar se pare că această resursă este plătită.

Dacă știți mai multe modalități de a determina temperatura solului la o anumită adâncime, atunci vă rugăm să scrieți comentarii.

Ați putea fi interesat de următorul material:

temperatura din interiorul pământului. Determinarea temperaturii în învelișurile Pământului se bazează pe diverse date, adesea indirecte. Cele mai fiabile date de temperatură se referă la partea superioară a scoarței terestre, care este expusă de mine și foraje la o adâncime maximă de 12 km (fântâna Kola).

Se numește creșterea temperaturii în grade Celsius pe unitatea de adâncime gradient geotermal,și adâncimea în metri, timp în care temperatura crește cu 1 0 C - pas geotermal. Gradientul geotermal și, în consecință, treapta geotermală variază de la un loc la altul în funcție de condițiile geologice, de activitatea endogenă în diferite zone, precum și de conductibilitatea termică eterogenă a rocilor. În același timp, conform lui B. Gutenberg, limitele fluctuațiilor diferă de peste 25 de ori. Un exemplu în acest sens sunt două pante puternic diferite: 1) 150 o pe 1 km în Oregon (SUA), 2) 6 o pe 1 km înregistrat în Africa de Sud. Conform acestor gradienți geotermici, treapta geotermală se modifică și de la 6,67 m în primul caz la 167 m în al doilea. Cele mai frecvente fluctuații ale gradientului sunt în intervalul 20-50 o , iar treapta geotermală este de 15-45 m. Gradientul geotermal mediu a fost luat de mult timp la 30 o C la 1 km.

Potrivit lui VN Zharkov, gradientul geotermal de lângă suprafața Pământului este estimat la 20 o C la 1 km. Pe baza acestor două valori ale gradientului geotermal și invarianța acestuia adânc în Pământ, atunci la o adâncime de 100 km ar fi trebuit să existe o temperatură de 3000 sau 2000 o C. Cu toate acestea, aceasta este în contradicție cu datele reale. La aceste adâncimi apar periodic camerele de magmă, din care se toarnă lavă la suprafață, având temperatura maxima 1200-1250 o. Având în vedere acest tip de „termometru”, o serie de autori (V. A. Lyubimov, V. A. Magnitsky) consideră că la o adâncime de 100 km temperatura nu poate depăși 1300-1500 o C.

La temperaturi mai ridicate, rocile de manta ar fi complet topite, ceea ce contrazice trecerea liberă a undelor seismice transversale. Astfel, gradientul geotermal mediu poate fi urmărit doar la o adâncime relativ mică de la suprafață (20-30 km), iar apoi ar trebui să scadă. Dar nici în acest caz, în același loc, modificarea temperaturii cu adâncimea nu este uniformă. Acest lucru poate fi văzut în exemplul schimbării temperaturii cu adâncimea de-a lungul puțului Kola situat în scutul cristalin stabil al platformei. La așezarea acestui puț, era de așteptat un gradient geotermal de 10 o la 1 km și, prin urmare, la adâncimea de proiectare (15 km) era de așteptat o temperatură de ordinul a 150 o C. Cu toate acestea, un astfel de gradient a fost doar până la un adâncimea de 3 km, iar apoi a început să crească de 1,5 -2,0 ori. La o adâncime de 7 km temperatura era de 120 o C, la 10 km -180 o C, la 12 km -220 o C. Se presupune că la adâncimea de proiectare temperatura va fi apropiată de 280 o C. Regiunea Caspică, în zona regimului endogen mai activ. În ea, la o adâncime de 500 m, temperatura s-a dovedit a fi de 42,2 o C, la 1500 m - 69,9 o C, la 2000 m - 80,4 o C, la 3000 m - 108,3 o C.

Care este temperatura în zonele profunde ale mantalei și miezului Pământului? S-au obţinut date mai mult sau mai puţin sigure despre temperatura bazei stratului B din mantaua superioară (vezi Fig. 1.6). Potrivit lui V. N. Zharkov, „studiile detaliate ale diagramei de fază a Mg 2 SiO 4 - Fe 2 Si0 4 au făcut posibilă determinarea temperaturii de referință la o adâncime corespunzătoare primei zone de tranziții de fază (400 km)” (adică, trecerea olivinei la spinel). Temperatura aici, ca rezultat al acestor studii, este de aproximativ 1600 50 o C.

Problema distribuției temperaturilor în mantaua de sub stratul B și în miezul Pământului nu a fost încă rezolvată și, prin urmare, sunt exprimate diferite opinii. Se poate presupune doar că temperatura crește cu adâncimea cu o scădere semnificativă a gradientului geotermal și o creștere a treptei geotermale. Se presupune că temperatura în miezul Pământului este în intervalul 4000-5000 o C.

In medie compoziție chimică Pământ. Pentru a judeca compoziția chimică a Pământului se folosesc date despre meteoriți, care sunt cele mai probabile mostre de material protoplanetar din care s-au format planetele terestre și asteroizii. Până în prezent, mulți meteoriți care au căzut pe Pământ în momente diferite și în locuri diferite au fost bine studiați. După compoziție, se disting trei tipuri de meteoriți: 1) fier, constând în principal din nichel fier (90-91% Fe), cu un mic amestec de fosfor și cobalt; 2) fier-piatră(sideroliți), constând din minerale de fier și silicați; 3) piatră, sau aeroliți, constând în principal din silicaţi ferugino-magneziani şi incluziuni de fier nichel.

Cei mai des întâlniți sunt meteoriții de piatră - aproximativ 92,7% din toate descoperirile, fierul pietros 1,3% și fierul 5,6%. Meteoriții de piatră se împart în două grupe: a) condrite cu granule mici rotunjite - condrule (90%); b) acondrite care nu contin condrule. Compoziția meteoriților pietroși este apropiată de cea a rocilor magmatice ultramafice. Potrivit lui M. Bott, acestea conțin aproximativ 12% fază fier-nichel.

Pe baza analizei compoziției diverșilor meteoriți, precum și a datelor experimentale geochimice și geofizice obținute, un număr de cercetători oferă o estimare modernă a compoziției elementare brute a Pământului, prezentată în tabel. 1.3.

După cum se poate observa din datele din tabel, distribuția crescută se referă la cele mai importante patru elemente - O, Fe, Si, Mg, constituind peste 91%. Grupul de elemente mai puțin comune include Ni, S, Ca, A1. Alte elemente sistem periodic Mendeleev la scară globală în ceea ce privește distribuția generală au o importanță secundară. Dacă comparăm datele date cu compoziția scoarței terestre, putem observa clar o diferență semnificativă constând într-o scădere bruscă a O, Al, Si și o creștere semnificativă a Fe, Mg și apariția S și Ni în cantități vizibile. .

Forma pământului se numește geoid. Structura profundă a Pământului este judecată de undele seismice longitudinale și transversale, care, propagăndu-se în interiorul Pământului, experimentează refracția, reflexia și atenuarea, ceea ce indică stratificarea Pământului. Există trei domenii principale:

Scoarta terestra;

mantaua: sus până la o adâncime de 900 km, mai jos până la o adâncime de 2900 km;

nucleul Pământului este exterior la o adâncime de 5120 km, interior la o adâncime de 6371 km.

Căldura internă a Pământului este asociată cu dezintegrarea elementelor radioactive - uraniu, toriu, potasiu, rubidiu etc. Valoarea medie a fluxului de căldură este de 1,4-1,5 μkal / cm 2. s.

1. Care este forma și dimensiunea Pământului?

2. Care sunt metodele de studiu a structurii interne a Pământului?

3. Care este structura internă a Pământului?

4. Ce secțiuni seismice de ordinul întâi se disting clar atunci când se analizează structura Pământului?

5. Care sunt limitele secțiunilor Mohorovic și Gutenberg?

6. Care este densitatea medie a Pământului și cum se modifică ea la limita dintre manta și miez?

7. Cum se modifică fluxul de căldură în diferite zone? Cum se înțelege schimbarea gradientului geotermal și a treptei geotermale?

8. Ce date sunt folosite pentru a determina compoziția chimică medie a Pământului?

Literatură

• Voytkevich G.V. Fundamentele teoriei originii Pământului. M., 1988.

• Zharkov V.N. Structura internă a Pământului și a planetelor. M., 1978.

• Magnitsky V.A. Structura internă și fizica Pământului. M., 1965.

• eseuri planetologie comparată. M., 1981.

• Ringwood A.E. Compoziția și originea Pământului. M., 1981.

„Utilizarea energiei termice cu potențial scăzut a pământului în sistemele cu pompe de căldură”

Vasiliev G.P., Director stiintific OJSC INSOLAR-INVEST, Doctor în Științe Tehnice, Președinte al Consiliului de Administrație al OJSC INSOLAR-INVEST
N. V. Shilkin, inginer, NISF (Moscova)

Utilizarea rațională a combustibilului și a resurselor energetice astăzi este una dintre problemele mondiale globale, a cărei soluție cu succes, aparent, va fi de o importanță decisivă nu numai pentru dezvoltarea ulterioară a comunității mondiale, ci și pentru conservarea habitatului acesteia. Una dintre modalitățile promițătoare de a rezolva această problemă este aplicarea noilor tehnologii de economisire a energiei folosind surse de energie regenerabilă netradițională (NRES) Epuizarea combustibililor fosili tradiționali și consecințele asupra mediului ale arderii acestora au condus la o creștere semnificativă a interesului față de aceste tehnologii în aproape toate țările în ultimele decenii. țările dezvoltate pace.

Avantajele tehnologiilor de furnizare a căldurii care utilizează în comparație cu omologii lor tradiționali sunt asociate nu numai cu reduceri semnificative ale costurilor energetice în sistemele de susținere a vieții clădirilor și structurilor, ci și cu respectarea mediului înconjurător, precum și cu noi oportunități în domeniul creşterea gradului de autonomie a sistemelor de susţinere a vieţii. Aparent, în viitorul apropiat, aceste calități vor avea o importanță decisivă în modelarea unei situații competitive pe piața echipamentelor generatoare de căldură.

Analiza posibilelor domenii de aplicare în economia rusă a tehnologiilor de economisire a energiei surse de energie netradiționale, arată că în Rusia zona cea mai promițătoare pentru implementarea lor este sistemele de susținere a vieții clădirilor. În același timp, utilizarea pe scară largă a sisteme de alimentare cu căldură cu pompă de căldură (TST), folosind solul straturilor de suprafață ale Pământului ca o sursă de căldură cu potențial scăzut, disponibilă omniprezent.

Folosind Căldura Pământului Există două tipuri de energie termică - cu potențial ridicat și cu potențial scăzut. Sursa de energie termică cu potențial ridicat este resursele hidrotermale - ape termale încălzite la o temperatură ridicată ca urmare a proceselor geologice, ceea ce le permite să fie utilizate pentru alimentarea cu căldură a clădirilor. Cu toate acestea, utilizarea căldurii cu potențial ridicat a Pământului este limitată la zone cu anumiți parametri geologici. În Rusia, aceasta este, de exemplu, Kamchatka, regiunea apelor minerale caucaziene; în Europa, există surse de căldură cu potențial ridicat în Ungaria, Islanda și Franța.

Spre deosebire de utilizarea „directă” a căldurii cu potențial ridicat (resurse hidrotermale), utilizarea căldurii de slabă calitate a Pământului prin pompe de căldură este posibil aproape peste tot. În prezent, este una dintre domeniile de utilizare cu cea mai rapidă creștere surse de energie regenerabile netradiționale.

Căldura cu potențial scăzut a Pământului poate fi folosit în diferite tipuri de clădiri și structuri în mai multe moduri: pentru încălzire, alimentare cu apă caldă, aer condiționat (răcire), căi de încălzire în sezonul de iarnă, pentru prevenirea înghețului, încălzirea câmpurilor pe stadioanele în aer liber etc. literatură tehnică lingvistică, astfel de sisteme sunt denumite „GHP” - „pompe de căldură geotermale”, pompe de caldura geotermale.

Caracteristicile climatice ale țărilor din Europa Centrală și de Nord, care, împreună cu Statele Unite și Canada, sunt principalele zone de utilizare a căldurii de slabă calitate a Pământului, determină în principal nevoia de încălzire; răcirea aerului, chiar și vara, este relativ rar necesară. Prin urmare, spre deosebire de Statele Unite, pompe de căldurăîn țările europene funcționează în principal în regim de încălzire. ÎN S.U.A pompe de căldură sunt mai des folosite în sistemele de încălzire cu aer combinate cu ventilație, ceea ce permite atât încălzirea, cât și răcirea aerului exterior. În țările europene pompe de căldură utilizate în mod obișnuit în sistemele de încălzire a apei. Deoarece eficienta pompei de caldura crește odată cu scăderea diferenței de temperatură dintre evaporator și condensator, sistemele de încălzire prin pardoseală sunt adesea folosite pentru încălzirea clădirilor, în care circulă un lichid de răcire cu o temperatură relativ scăzută (35–40 °C).

Majoritate pompe de căldurăîn Europa, concepute pentru a utiliza căldura de slabă calitate a Pământului, sunt echipate cu compresoare acționate electric.

În ultimii zece ani, numărul de sisteme care utilizează căldura de calitate scăzută a Pământului pentru alimentarea cu căldură și rece a clădirilor prin pompe de căldură, a crescut semnificativ. Cel mai mare număr de astfel de sisteme este utilizat în SUA. Un număr mare de astfel de sisteme funcționează în Canada și în țările din centrul și nordul Europei: Austria, Germania, Suedia și Elveția. Elveția este lider în utilizarea energiei termice de calitate scăzută a Pământului pe cap de locuitor. În Rusia, în ultimii zece ani, folosind tehnologia și cu participarea INSOLAR-INVEST OJSC, care este specializată în acest domeniu, au fost construite doar câteva obiecte, dintre care cele mai interesante sunt prezentate în.

La Moscova, în microdistrictul Nikulino-2, de fapt, pentru prima dată, a sistem pompa de caldura apa calda clădire de locuit cu mai multe etaje. Acest proiect a fost implementat în 1998-2002 de către Ministerul Apărării al Federației Ruse împreună cu Guvernul de la Moscova, Ministerul Industriei și Științei din Rusia, Asociația NP ABOK și în cadrul „Program de economisire a energiei pe termen lung la Moscova”.

Ca sursă de energie termică cu potențial scăzut pentru evaporatoarele pompelor de căldură, se utilizează căldura solului straturilor de suprafață ale Pământului, precum și căldura aerului de ventilație îndepărtat. Stația de preparare a apei calde se află la subsolul clădirii. Acesta include următoarele elemente principale:

• instalatii pompe de caldura cu compresie de vapori (HPU);
• rezervoare de stocare a apei calde;
• sisteme de colectare a energiei termice de calitate scăzută a solului și a căldurii de grad scăzut a aerului de ventilație îndepărtat;
• pompe de circulatie, instrumentare

Elementul principal de schimb de căldură al sistemului de colectare a căldurii solului de calitate scăzută sunt schimbătoarele de căldură de sol coaxiale verticale situate în exterior, de-a lungul perimetrului clădirii. Aceste schimbatoare de caldura sunt 8 puturi cu o adancime de 32 pana la 35 m fiecare, dispuse in apropierea casei. Deoarece modul de funcționare al pompelor de căldură folosind căldura pământului iar caldura aerului evacuat este constanta, in timp ce consumul de apa calda este variabil, sistemul de alimentare cu apa calda este dotat cu rezervoare de stocare.

Datele care estimează nivelul mondial de utilizare a energiei termice cu potențial scăzut a Pământului prin intermediul pompelor de căldură sunt prezentate în tabel.

Tabel 1. Nivelul mondial de utilizare a energiei termice cu potențial scăzut a Pământului prin pompe de căldură

Solul ca sursă de energie termică cu potențial scăzut

Ca sursă de energie termică cu potențial scăzut, pot fi folosite apele subterane cu o temperatură relativ scăzută sau straturile de sol ale suprafeței (până la 400 m adâncime) ale Pământului.. Conținutul de căldură al masei de sol este în general mai mare. Regimul termic al solului straturilor de suprafață ale Pământului se formează sub influența a doi factori principali - radiația solară incidentă la suprafață și fluxul de căldură radiogenă din interiorul pământului.. Modificările sezoniere și zilnice ale intensității radiației solare și ale temperaturii exterioare provoacă fluctuații ale temperaturii straturilor superioare ale solului. Adâncimea de pătrundere a fluctuațiilor zilnice ale temperaturii aerului exterior și intensitatea radiației solare incidente, în funcție de solul și condițiile climatice specifice, variază de la câteva zeci de centimetri până la un metru și jumătate. Adâncimea de penetrare a fluctuațiilor sezoniere ale temperaturii aerului exterior și intensitatea radiației solare incidente nu depășește, de regulă, 15-20 m.

Regimul de temperatură al straturilor de sol situate sub această adâncime („zona neutră”) se formează sub influența energiei termice provenite din intestinele Pământului și practic nu depinde de schimbările sezoniere și cu atât mai mult zilnice ale parametrilor climatului exterior ( Fig. 1).

Orez. 1. Graficul modificărilor temperaturii solului în funcție de adâncime

Odată cu creșterea adâncimii, temperatura solului crește în funcție de gradientul geotermal (aproximativ 3 grade C la fiecare 100 m). Mărimea fluxului de căldură radiogenă provenită din intestinele pământului variază pentru diferite localități. Pentru Europa Centrală această valoare este 0,05–0,12 W/m2.

În timpul perioadei de exploatare, masa de sol situată în zona de influență termică a registrului conductelor schimbătorului de căldură din sol al sistemului de colectare a căldurii solului de grad scăzut (sistem de colectare a căldurii), datorită modificărilor sezoniere ale parametrilor clima exterioară, precum și sub influența sarcinilor operaționale asupra sistemului de colectare a căldurii, de regulă, este supusă înghețului și dezghețării repetate. În același timp, firește, are loc o schimbare starea de agregare umiditatea cuprinsă în porii solului și situată în cazul general atât în ​​faza lichidă, cât și în faza solidă și gazoasă în același timp. Cu alte cuvinte, masivul de sol al sistemului de colectare a căldurii, indiferent de starea în care se află (înghețat sau dezghețat), este un sistem eterogen polidispers trifazat complex, al cărui schelet este format dintr-un număr mare de particule solide de diferite forme și dimensiuni și pot fi atât rigide, cât și mobile, în funcție de faptul dacă particulele sunt ferm legate între ele sau dacă sunt separate una de cealaltă printr-o substanță în faza mobilă. Interstițiile dintre particulele solide pot fi umplute cu umiditate mineralizată, gaz, abur și gheață sau ambele. Modelarea proceselor de transfer de căldură și masă care formează regimul termic al unui astfel de sistem multicomponent este o sarcină extrem de dificilă, deoarece necesită luarea în considerare și descrierea matematică a diferitelor mecanisme pentru implementarea lor: conducerea căldurii într-o particulă individuală, transferul de căldură din o particulă la alta la contactul lor, conducerea moleculară a căldurii într-un mediu umplerea golurilor dintre particule, convecția aburului și a umidității conținute în spațiul porilor și multe altele.

O atenție deosebită trebuie acordată influenței umidității masei solului și migrației umidității în spațiul său poros asupra proceselor termice care determină caracteristicile solului ca sursă de energie termică cu potențial scăzut.

În sistemele capilar-poroase, care este masa de sol a sistemului de colectare a căldurii, prezența umidității în spațiul porilor are un efect semnificativ asupra procesului de distribuție a căldurii. Contabilitatea corectă a acestei influențe astăzi este asociată cu dificultăți semnificative, care sunt asociate în primul rând cu lipsa unor idei clare despre natura distribuției fazelor solide, lichide și gazoase ale umidității într-o anumită structură a sistemului. Natura forțelor de legare a umidității cu particulele scheletice, dependența formelor de legare a umidității cu materialul în diferite stadii de umectare și mecanismul de mișcare a umidității în spațiul porilor nu au fost încă elucidate.

Dacă există un gradient de temperatură în grosimea masei de sol, moleculele de vapori se deplasează în locuri cu un potențial de temperatură mai scăzut, dar, în același timp, sub acțiunea forțelor gravitaționale, are loc un flux de umiditate în direcția opusă în faza lichidă. . În plus, umiditatea afectează regimul de temperatură al straturilor superioare ale solului. precipitare precum și a apelor subterane.

Principalii factori sub influența cărora se formează regim de temperatură Sistemele de colectare a masei de sol pentru căldura solului cu potențial scăzut sunt prezentate în fig. 2.

Orez. 2. Factori sub influența cărora se formează regimul de temperatură al solului

Tipuri de sisteme pentru utilizarea energiei termice cu potențial scăzut a Pământului

Schimbătoarele de căldură la sol se conectează echipamente cu pompa de caldura cu masa de sol. Pe lângă „extragerea” căldurii Pământului, schimbătoarele de căldură din sol pot fi folosite și pentru a acumula căldură (sau frig) în masivul solului.

În cazul general, se pot distinge două tipuri de sisteme pentru utilizarea energiei termice cu potențial scăzut a Pământului:

• sisteme deschise: ca sursă de energie termică cu potențial scăzut se utilizează apa subterană, care este alimentată direct pompelor de căldură;
• sisteme închise: schimbătoarele de căldură sunt amplasate în masivul solului; atunci când un lichid de răcire circulă prin ele cu o temperatură scăzută față de sol, energia termică este „selectată” din sol și transferată la evaporator pompa de caldura(sau, atunci când se folosește un lichid de răcire cu o temperatură ridicată față de sol, răcirea acestuia).

Partea principală a sistemelor deschise sunt puțurile, care permit extragerea apei subterane din acvifere ale solului și returnarea apei înapoi în aceleași acvifere. De obicei, puțurile pereche sunt amenajate pentru aceasta. O diagramă a unui astfel de sistem este prezentată în fig. 3.

Orez. 3. Schema unui sistem deschis de utilizare a energiei termice cu potențial scăzut a apelor subterane

Avantajul sistemelor deschise este posibilitatea de a obține o cantitate mare de energie termică la un cost relativ scăzut. Cu toate acestea, puțurile necesită întreținere. În plus, utilizarea unor astfel de sisteme nu este posibilă în toate domeniile. Principalele cerințe pentru sol și apele subterane sunt următoarele:

• permeabilitate suficientă a solului, permițând completarea rezervelor de apă;
• chimie bună a apelor subterane (de exemplu, conținut scăzut de fier) ​​pentru a evita depunerile în țevi și problemele de coroziune.

Sistemele deschise sunt mai des folosite pentru încălzirea sau răcirea clădirilor mari. Cel mai mare sistem de pompă de căldură geotermală din lume folosește apele subterane ca sursă de energie termică cu potențial scăzut. Acest sistem este situat în SUA în Louisville, Kentucky. Sistemul este utilizat pentru alimentarea cu căldură și rece a unui complex hotelier-birou; puterea sa este de aproximativ 10 MW.

Uneori, sistemele care folosesc căldura Pământului includ sisteme pentru utilizarea căldurii de grad scăzut din corpurile de apă deschise, naturale și artificiale. Această abordare este adoptată, în special, în Statele Unite. Sistemele care utilizează căldură de calitate scăzută din rezervoare sunt clasificate drept deschise, la fel ca sistemele care utilizează căldură de calitate scăzută din apele subterane.

Sistemele închise, la rândul lor, sunt împărțite în orizontale și verticale.

Schimbător de căldură la sol orizontal(în literatura engleză, termenii „colector de căldură la sol” și „buclă orizontală” sunt de asemenea folosiți) este de obicei aranjat lângă casă la o adâncime mică (dar sub nivelul de îngheț al solului în timpul iernii). Utilizarea schimbătoarelor de căldură la sol orizontale este limitată de dimensiunea amplasamentului disponibil.

În țările din Europa de Vest și Centrală, schimbătoarele de căldură la sol orizontale sunt de obicei conducte separate, așezate relativ strâns și conectate între ele în serie sau în paralel (Fig. 4a, 4b). Pentru a economisi suprafața amplasamentului, au fost dezvoltate tipuri îmbunătățite de schimbătoare de căldură, de exemplu, schimbătoare de căldură sub formă de spirală, situate orizontal sau vertical (Fig. 4e, 4f). Această formă de schimbătoare de căldură este comună în SUA.

Orez. 4. Tipuri de schimbătoare de căldură la sol orizontale
a - un schimbător de căldură din țevi conectate în serie;
b - schimbător de căldură din conducte paralele;
c - un colector orizontal așezat într-un șanț;
d - schimbător de căldură sub formă de buclă;
e - un schimbător de căldură sub formă de spirală situat orizontal (așa-numitul colector „slinky”;
e - un schimbător de căldură sub formă de spirală situat vertical

Dacă un sistem cu schimbătoare de căldură orizontale este utilizat doar pentru a genera căldură, funcționarea lui normală este posibilă numai dacă există suficient aport de căldură de la suprafața pământului datorită radiației solare. Din acest motiv, suprafața de deasupra schimbătoarelor de căldură trebuie expusă la lumina soarelui.

Schimbătoare de căldură la sol verticale(în literatura engleză, denumirea „BHE” - „schimbător de căldură foraj” este acceptată) permit utilizarea energiei termice cu potențial scăzut a masei de sol situată sub „zona neutră” (10–20 m de la nivelul solului). Sistemele cu schimbatoare de caldura la sol verticale nu necesita suprafete mari si nu depind de intensitatea radiatiei solare care cade la suprafata. Schimbătoarele verticale de căldură la sol funcționează eficient în aproape toate tipurile de medii geologice, cu excepția solurilor cu conductivitate termică scăzută, cum ar fi nisipul uscat sau pietrișul uscat. Sistemele cu schimbătoare de căldură la sol verticale sunt foarte răspândite.

Schema de încălzire și alimentare cu apă caldă a unei clădiri rezidențiale cu un singur apartament prin intermediul unei pompe de căldură cu un schimbător de căldură la sol vertical este prezentată în fig. 5.

Orez. 5. Schema de încălzire și alimentare cu apă caldă a unei clădiri rezidențiale cu un singur apartament prin intermediul unei pompe de căldură cu un schimbător de căldură la sol vertical

Lichidul de răcire circulă prin țevi (de cele mai multe ori polietilenă sau polipropilenă) așezate în puțuri verticale de la 50 la 200 m adâncime.De obicei se folosesc două tipuri de schimbătoare de căldură la sol verticale (Fig. 6):

• Schimbător de căldură în formă de U, care sunt două țevi paralele conectate în partea de jos. Una sau două (rar trei) perechi de astfel de țevi sunt situate într-un puț. Avantajul unei astfel de scheme este costul relativ scăzut de producție. Schimbătoarele de căldură duble în formă de U sunt cel mai utilizat tip de schimbătoare de căldură verticale la sol în Europa.
• Schimbător de căldură coaxial (concentric). Cel mai simplu schimbător de căldură coaxial este format din două conducte de diametre diferite. O țeavă cu diametru mai mic este plasată în interiorul unei alte țevi. Schimbătoarele de căldură coaxiale pot avea configurații mai complexe.

Orez. 6. Sectiunea tipuri variate schimbătoare de căldură verticale la sol

Pentru a crește eficiența schimbătoarelor de căldură, spațiul dintre pereții puțului și țevi este umplut cu materiale speciale conductoare de căldură.

Sistemele cu schimbătoare de căldură verticale la sol pot fi utilizate pentru încălzirea și răcirea clădirilor de diferite dimensiuni. Pentru o clădire mică, un schimbător de căldură este suficient; pentru clădirile mari, poate fi necesar un întreg grup de puțuri cu schimbătoare de căldură verticale. Cel mai mare număr de puțuri din lume este folosit în sistemul de încălzire și răcire al Colegiului Richard Stockton din statul american New Jersey. Schimbătoarele verticale de căldură din sol ale acestui colegiu sunt amplasate în 400 de puțuri adânci de 130 m. În Europa, cel mai mare număr de puțuri (154 puțuri la 70 m adâncime) sunt utilizate în sistemul de încălzire și răcire al biroului central al Controlului Traficului Aerian German. Serviciul („Deutsche Flug-sicherung”).

Un caz special de sisteme închise verticale este utilizarea structurilor clădirii ca schimbătoare de căldură în sol, de exemplu, piloți de fundație cu conducte încorporate. Secțiunea unei astfel de grămezi cu trei contururi ale unui schimbător de căldură din sol este prezentată în fig. 7.

Orez. 7. Schema schimbătoarelor de căldură la sol încorporate în piloții de fundație ai clădirii și secțiunea transversală a unei astfel de grămadă

Masa solului (în cazul schimbătoarelor de căldură la sol verticale) și structurile clădirii cu schimbătoare de căldură la sol pot fi utilizate nu numai ca sursă, ci și ca acumulator natural de energie termică sau „rece”, de exemplu, căldura radiației solare.

Există sisteme care nu pot fi clasificate clar ca deschise sau închise. De exemplu, aceeași fântână adâncă (de la 100 la 450 m adâncime) umplută cu apă poate fi atât producție, cât și injecție. Diametrul puțului este de obicei de 15 cm.În partea inferioară a puțului este plasată o pompă, prin care apa din puț este furnizată către evaporatoarele pompei de căldură. Apa de retur se întoarce în partea de sus a coloanei de apă în aceeași fântână. Există o reîncărcare constantă a puțului cu apă subterană, iar sistemul deschis funcționează ca unul închis. Sistemele de acest tip în literatura engleză sunt denumite „sistem de puțuri de coloană în picioare” (Fig. 8).

Orez. 8. Schema puțului de tip „put coloană în picioare”

De obicei, puțurile de acest tip sunt folosite și pentru alimentarea clădirii cu apă potabilă.. Cu toate acestea, un astfel de sistem poate funcționa eficient doar în soluri care asigură o alimentare constantă cu apă fântânii, ceea ce împiedică înghețarea acesteia. Dacă acviferul este prea adânc, va fi necesară o pompă puternică pentru funcționarea normală a sistemului, necesitând costuri mari de energie. Adâncimea mare a puțului determină un cost destul de ridicat al unor astfel de sisteme, astfel încât acestea nu sunt utilizate pentru alimentarea cu căldură și rece a clădirilor mici. Acum există mai multe astfel de sisteme în lume în SUA, Germania și Europa.

Una dintre domeniile promițătoare este utilizarea apei din mine și tuneluri ca sursă de energie termică de calitate scăzută. Temperatura acestei ape este constantă pe tot parcursul anului. Apa din mine și tuneluri este ușor disponibilă.

„Sustenabilitatea” sistemelor de utilizare a căldurii de calitate scăzută a Pământului

În timpul funcționării schimbătorului de căldură din sol, poate apărea o situație când în timpul sezonului de încălzire temperatura solului din apropierea schimbătorului de căldură din sol scade, iar vara solul nu are timp să se încălzească la temperatura inițială - temperatura sa. potenţialul scade. Consumul de energie în următorul sezon de încălzire determină o scădere și mai mare a temperaturii solului, iar potențialul de temperatură al acestuia este și mai redus. Acest lucru forțează proiectarea sistemului utilizarea căldurii de slabă calitate a Pământului luați în considerare problema „stabilității” (sustenabilității) unor astfel de sisteme. Adesea, resursele energetice sunt utilizate foarte intens pentru a reduce perioada de amortizare a echipamentelor, ceea ce poate duce la epuizarea lor rapidă. Prin urmare, este necesar să se mențină un astfel de nivel de producție de energie care să permită exploatarea sursei de resurse energetice. perioadă lungă de timp. Această capacitate a sistemelor de a menține nivelul necesar de producție de căldură pentru o perioadă lungă de timp se numește „durabilitate”. Pentru sistemele cu potențial scăzut Căldura Pământului este dată următoarea definiție a stabilității: „Pentru fiecare sistem de utilizare a căldurii cu potențial scăzut a Pământului și pentru fiecare mod de funcționare al acestui sistem, există unele nivel maxim producere de energie; producția de energie sub acest nivel poate fi menținută o perioadă lungă de timp (100–300 de ani).”

A avut loc în OJSC INSOLAR-INVEST 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 teritoriului din Rusia, nu are timp să compenseze în sezonul de vară, iar până la începutul următorului sezon de încălzire, solul iese cu potențial de temperatură scăzută. Consumul de energie termică în următorul sezon de încălzire determină o scădere suplimentară a temperaturii solului, iar până la începutul celui de-al treilea sezon de încălzire, potenţialul său de temperatură diferă şi mai mult de cel natural. Și așa mai departe. Cu toate acestea, anvelopele influenței termice a funcționării pe termen lung a sistemului de captare a căldurii asupra regimului natural de temperatură al solului au un caracter exponențial pronunțat, iar până în al cincilea an de funcționare, solul intră într-un nou regim apropiat de periodic, adică, începând cu al cincilea an de funcționare, consumul pe termen lung de energie termică din masa de sol a sistemului de colectare a căldurii este însoțit de modificări periodice ale temperaturii acestuia. Astfel, la proiectare sisteme de incalzire cu pompa de caldura pare necesar să se țină cont de scăderea temperaturilor masivului de sol, cauzată de funcționarea pe termen lung a sistemului de captare a căldurii, și să se utilizeze ca parametri de proiectare temperaturile masivului de sol preconizate pentru al 5-lea an de funcționare a TST. .

În sisteme combinate, folosit atât pentru alimentarea cu căldură, cât și pentru frig, echilibrul termic este setat „automat”: iarna (este necesară alimentarea cu căldură), masa de sol este răcită, vara (este necesară alimentarea cu rece), masa de sol este încălzită. În sistemele care utilizează căldură subterană de calitate scăzută, există o completare constantă a rezervelor de apă din cauza apei care se scurge de la suprafață și a apei care provine din straturile mai adânci ale solului. Astfel, conținutul de căldură al apelor subterane crește atât „de sus” (datorită căldurii aerului atmosferic), cât și „de jos” (datorită căldurii Pământului); valoarea câștigului de căldură „de sus” și „de jos” depinde de grosimea și adâncimea acviferului. Datorită acestor transferuri de căldură, temperatura apei subterane rămâne constantă pe tot parcursul sezonului și se modifică puțin în timpul funcționării.

În sistemele cu schimbătoare de căldură la sol verticale, situația este diferită. Când căldura este îndepărtată, temperatura solului din jurul schimbătorului de căldură din sol scade. Scăderea temperaturii este afectată atât de caracteristicile de proiectare ale schimbătorului de căldură, cât și de modul de funcționare al acestuia. De exemplu, în sistemele cu valori mari de disipare a căldurii (câteva zeci de wați pe metru de lungime a schimbătorului de căldură) sau în sistemele cu un schimbător de căldură la sol situat în sol cu ​​conductivitate termică scăzută (de exemplu, în nisip uscat sau pietriș uscat) , scăderea temperaturii va fi deosebit de vizibilă și poate duce la înghețarea masei de sol din jurul schimbătorului de căldură din sol.

Experții germani au măsurat temperatura masivului de sol, în care este amenajat un schimbător de căldură a solului vertical cu o adâncime de 50 m, situat în apropiere de Frankfurt pe Main. Pentru aceasta au fost forate 9 sonde de aceeași adâncime în jurul puțului principal la o distanță de 2,5, 5 și 10 m. În toate cele zece sonde au fost instalați senzori de temperatură la fiecare 2 m - un total de 240 de senzori. Pe fig. Figura 9 prezintă diagrame care arată distribuția temperaturii în masa solului în jurul schimbătorului de căldură vertical al solului la începutul și la sfârșitul primului sezon de încălzire. La sfârșitul sezonului de încălzire, o scădere a temperaturii masei de sol din jurul schimbătorului de căldură este clar vizibilă. Există un flux de căldură direcționat către schimbătorul de căldură din masa de sol din jur, care compensează parțial scăderea temperaturii solului cauzată de „selectarea” căldurii. Mărimea acestui flux în comparație cu mărimea fluxului de căldură din interiorul pământului într-o zonă dată (80–100 mW/mp) este estimată destul de mare (câțiva wați pe metru pătrat).

Orez. Fig. 9. Scheme de distribuție a temperaturii în masa solului în jurul schimbătorului de căldură vertical al solului la începutul și la sfârșitul primului sezon de încălzire

Deoarece schimbătoarele de căldură verticale au început să devină relativ răspândite cu aproximativ 15-20 de ani în urmă, există o lipsă de date experimentale în întreaga lume, obținute în perioadele de funcționare pe termen lung (câteva zeci de ani) a sistemelor cu schimbătoare de căldură de acest tip. Se pune întrebarea despre stabilitatea acestor sisteme, despre fiabilitatea lor pentru perioade lungi de funcționare. Este căldura cu potențial scăzut a Pământului o sursă de energie regenerabilă? Care este perioada de „reînnoire” a acestei surse?

Când funcționează o școală rurală în Regiunea Yaroslavl echipat sistem pompa de caldura, folosind un schimbător de căldură la sol vertical, valorile medii ale eliminării căldurii specifice au fost la nivelul de 120–190 W/rm. m lungimea schimbătorului de căldură.

Din 1986, în Elveția, lângă Zurich, s-au efectuat cercetări asupra unui sistem cu schimbătoare de căldură verticale la sol. În masivul sol a fost amenajat un schimbător de căldură vertical de tip coaxial cu adâncimea de 105 m. Acest schimbător de căldură a fost folosit ca sursă de energie termică de calitate scăzută pentru un sistem de pompă de căldură instalat într-o clădire rezidențială unifamilială. Schimbătorul de căldură la sol vertical a furnizat o putere de vârf de aproximativ 70 de wați pe metru lungime, ceea ce a creat o sarcină termică semnificativă asupra masei solului înconjurător. Producția anuală de energie termică este de aproximativ 13 MWh

La o distanță de 0,5 și 1 m de puțul principal au fost forate două puțuri suplimentare, în care au fost instalați senzori de temperatură la adâncimea de 1, 2, 5, 10, 20, 35, 50, 65, 85 și 105 m, după care puțurile au fost umplute cu amestec de argilă-ciment. Temperatura a fost măsurată la fiecare treizeci de minute. Pe langa temperatura solului, au fost inregistrati si alti parametri: viteza lichidului de racire, consumul de energie al actionarii compresorului pompei de caldura, temperatura aerului etc.

Prima perioadă de observare a durat din 1986 până în 1991. Măsurătorile au arătat că influența căldurii aerului exterior și a radiației solare se remarcă în stratul de suprafață al solului la o adâncime de până la 15 m. Sub acest nivel, regimul termic al solului se formează în principal datorită căldura din interiorul pământului. În primii 2-3 ani de funcționare temperatura masei solului, înconjurând schimbătorul de căldură vertical, a scăzut brusc, dar în fiecare an scăderea temperaturii a scăzut, iar după câțiva ani sistemul a ajuns la un regim aproape constant, când temperatura masei de sol din jurul schimbătorului de căldură a devenit mai mică decât cea inițială. cu 1–2 °C.

În toamna anului 1996, la zece ani de la punerea în funcțiune a sistemului, au fost reluate măsurătorile. Aceste măsurători au arătat că temperatura solului nu s-a schimbat semnificativ. În anii următori, s-au înregistrat uşoare fluctuaţii ale temperaturii solului în limita a 0,5 grade C, în funcţie de sarcina anuală de încălzire. Astfel, sistemul a intrat într-un regim cvasi-staționar după primii câțiva ani de funcționare.

Pe baza datelor experimentale au fost construite modele matematice ale proceselor care au loc în masivul solului, care au făcut posibilă realizarea unei prognoze pe termen lung a schimbărilor de temperatură a masivului sol.

Modelarea matematică a arătat că scăderea anuală a temperaturii va scădea treptat, iar volumul masei solului din jurul schimbătorului de căldură, supus scăderii temperaturii, va crește în fiecare an. La sfârșitul perioadei de funcționare începe procesul de regenerare: temperatura solului începe să crească. Natura procesului de regenerare este similară cu natura procesului de „selectare” a căldurii: în primii ani de funcționare, are loc o creștere bruscă a temperaturii solului, iar în anii următori, rata de creștere a temperaturii scade. Durata perioadei de „regenerare” depinde de durata perioadei de funcționare. Aceste două perioade sunt aproximativ aceleași. În acest caz, perioada de funcționare a schimbătorului de căldură la sol a fost de treizeci de ani, iar perioada de „regenerare” este de asemenea estimată la treizeci de ani.

Astfel, sistemele de încălzire și răcire ale clădirilor, folosind căldura de grad scăzut a Pământului, sunt o sursă de încredere de energie care poate fi folosită peste tot. Această sursă poate fi folosită destul de mult timp și poate fi reînnoită la sfârșitul perioadei de funcționare.

Literatură

1. Rybach L. Starea și perspectivele pompelor de căldură geotermale (GHP) în Europa și în întreaga lume; aspectele de sustenabilitate ale GHPs. Curs internațional de pompe de căldură geotermale, 2002

2. Vasiliev G.P., Krundyshev N.S. Școală rurală eficientă din punct de vedere energetic din regiunea Yaroslavl. ABOK №5, 2002

3. Sanner B. Surse de căldură la sol pentru pompe de căldură (clasificare, caracteristici, avantaje). 2002

4. Rybach L. Starea și perspectivele pompelor de căldură geotermale (GHP) în Europa și în întreaga lume; aspectele de sustenabilitate ale GHPs. Curs internațional de pompe de căldură geotermale, 2002

5. Grupul de lucru ORKUSTOFNUN, Islanda (2001): Producția durabilă de energie geotermală – definiție sugerată. Stiri IGA nr. 43, ianuarie-martie 2001, 1-2

6. Rybach L., Sanner B. Sisteme de pompe de căldură terestre – experiența europeană. GeoHeat Center Bull. 21/1, 2000

7. Economisirea energiei cu pompele de căldură rezidențiale în climate reci. Maxi Brosura 08. CADDET, 1997

8. Atkinson Schaefer L. Analiza pompei de căldură cu absorbție unică de presiune. O disertație prezentată Facultății Academice. Institutul de Tehnologie din Georgia, 2000

9. Morley T. Motorul termic inversat ca mijloc de încălzire a clădirilor, The Engineer 133: 1922

10. Fearon J. Istoria și dezvoltarea pompei de căldură, Refrigerare și Aer condiționat. 1978

11. Vasiliev G.P. Clădiri eficiente energetic cu sisteme de alimentare cu căldură cu pompă de căldură. Revista ZhKH, nr. 12, 2002

12. Orientări pentru utilizarea pompelor de căldură care utilizează resurse de energie secundară și surse de energie regenerabile netradiționale. Moskomarchitectura. Întreprinderea Unitară de Stat „NIAC”, 2001

13. Clădire rezidențială eficientă energetic din Moscova. ABOK №4, 1999

14. Vasiliev G.P. Clădire rezidențială experimentală eficientă din punct de vedere energetic din microdistrictul Nikulino-2. ABOK №4, 2002