لنمذجة مجالات درجة الحرارة ولإجراء حسابات أخرى، من الضروري معرفة درجة حرارة التربة عند عمق معين.

يتم قياس درجة حرارة التربة في العمق باستخدام مقاييس حرارة عمق التربة العادمة. هذه هي الدراسات المخططة التي تجريها محطات الأرصاد الجوية بانتظام. تُستخدم بيانات البحث كأساس للأطالس المناخية والوثائق التنظيمية.

للحصول على درجة حرارة التربة على عمق معين، يمكنك تجربة اثنين، على سبيل المثال طرق بسيطة. تتضمن كلتا الطريقتين استخدام الكتب المرجعية:

1. لتحديد تقريبي لدرجة الحرارة، يمكنك استخدام الوثيقة TsPI-22. "انتقالات السكك الحديدية عن طريق خطوط الأنابيب." هنا، في إطار منهجية حساب الهندسة الحرارية لخطوط الأنابيب، يتم تقديم الجدول 1، حيث يتم إعطاء قيم درجات حرارة التربة في مناطق مناخية معينة اعتمادًا على عمق القياس. أقدم هذا الجدول هنا أدناه.

الجدول 1

1. جدول درجة حرارة التربة أعماق مختلفةمن مصدر "لمساعدة عامل في صناعة الغاز" يعود تاريخه إلى زمن الاتحاد السوفييتي

أعماق التجمد القياسية لبعض المدن:

يعتمد عمق تجميد التربة على نوع التربة:

أعتقد أن الخيار الأسهل هو استخدام البيانات المرجعية المذكورة أعلاه ثم استيفاءها.

الخيار الأكثر موثوقية لإجراء حسابات دقيقة باستخدام درجات حرارة الأرض هو استخدام البيانات من خدمات الأرصاد الجوية. تعمل بعض الأدلة عبر الإنترنت على أساس خدمات الأرصاد الجوية. على سبيل المثال، http://www.atlas-yakutia.ru/.

هنا تحتاج فقط إلى تحديد المستوطنة ونوع التربة، ويمكنك الحصول على خريطة درجة حرارة التربة أو بياناتها في شكل جدول. من حيث المبدأ، إنه مناسب، ولكن يبدو أن هذا المورد مدفوع الأجر.

إذا كنت تعرف طرقًا أخرى لتحديد درجة حرارة التربة على عمق معين، فيرجى كتابة التعليقات.

قد تكون مهتمًا بالمواد التالية:

الصعوبة الأكبر هي تجنب البكتيريا المسببة للأمراض. ومن الصعب القيام بذلك في بيئة مشبعة بالرطوبة ودافئة بدرجة كافية. حتى في أفضل الأقبية يوجد دائمًا العفن. لذلك نحن بحاجة إلى نظام لتنظيف الأنابيب بانتظام من كل الأوساخ التي تتراكم على الجدران. والقيام بذلك بوضعية بطول 3 أمتار ليس بالأمر السهل. أول ما يتبادر إلى الذهن هو الطريقة الميكانيكية- فرشاة. أما بالنسبة لتنظيف المداخن. استخدام نوع من المواد الكيميائية السائلة. أو الغاز. إذا قمت بضخ الفوسجين عبر أنبوب، على سبيل المثال، فسوف يموت كل شيء وقد يكون هذا كافيًا لبضعة أشهر. لكن أي غاز يدخل في الكيمياء. يتفاعل مع الرطوبة الموجودة في الأنبوب وبالتالي يستقر فيه مما يجعل تهويته تستغرق وقتاً طويلاً. والتهوية طويلة المدى ستؤدي إلى استعادة مسببات الأمراض. وهذا يتطلب اتباع نهج مختص مع المعرفة بمنتجات التنظيف الحديثة.

بشكل عام، أنا أشترك في كل كلمة! (أنا حقًا لا أعرف ما الذي يسعدني هنا).

في هذا النظام أرى عدة مشاكل تحتاج إلى حل:

1. هل طول هذا المبادل الحراري كافٍ للاستخدام الفعال (من الواضح أنه سيكون هناك بعض التأثير، لكن ليس من الواضح ما هو)
2. التكثيف. وفي الشتاء لن يكون موجودا، حيث سيتم ضخ الهواء البارد عبر الأنبوب. سوف يتساقط التكثيف من خارج الأنبوب - إلى الأرض (وهو أكثر دفئًا). لكن في الصيف... تكمن المشكلة في كيفية ضخ المكثفات من تحت عمق 3 أمتار - لقد فكرت بالفعل في صنع بئر زجاجي محكم الغلق على جانب تجميع المكثفات لتجميع المكثفات. قم بتركيب مضخة فيه والتي ستقوم بضخ المكثفات بشكل دوري.
3. يفترض أن تكون أنابيب الصرف الصحي (البلاستيكية) محكمة الغلق. إذا كان الأمر كذلك، فيجب ألا تخترق المياه الجوفية المحيطة ولا تؤثر على رطوبة الهواء. لذلك، أعتقد أنه لن تكون هناك رطوبة (كما هو الحال في الطابق السفلي). على الأقل في فصل الشتاء. أعتقد أن الطابق السفلي رطب بسبب سوء التهوية. القالب لا يحب ضوء الشمس والمسودات (سيكون هناك مسودات في الأنبوب). والسؤال الآن هو - ما مدى ضيق أنابيب الصرف الصحي في الأرض؟ كم سنة سوف تستمر لي؟ والحقيقة هي أن هذا المشروع مرتبط - يتم حفر خندق للصرف الصحي (سيكون على عمق 1-1.2 م)، ثم العزل (البوليسترين الموسع) وأعمق - تراكم الأرض). هذا يعني أنه لا يمكن إصلاح هذا النظام إذا انخفض الضغط - لن أحفره - سأغطيه بالأرض وهذا كل شيء.
4. تنظيف الأنابيب. فكرت في إجراء مشاهدة جيدة عند أدنى نقطة. الآن أصبح "الحماس" أقل بشأن هذه المسألة - المياه الجوفية - وقد يتبين أنها سوف تغمرها المياه ولن يكون هناك أي معنى. بدون بئر لا توجد خيارات كثيرة:
أ. يتم إجراء المراجعات على كلا الجانبين (لكل أنبوب 110 مم)، والتي تصل إلى السطح، ويتم سحب كابل من الفولاذ المقاوم للصدأ من خلال الأنبوب. للتنظيف نعلق كفاتش عليه. العيوب - تظهر مجموعة من الأنابيب على السطح، مما سيؤثر على درجة الحرارة والظروف الهيدروديناميكية للبطارية.
ب. قم بغمر الأنابيب بشكل دوري بالماء والمبيض، على سبيل المثال (أو أي مطهر آخر)، وضخ الماء من بئر التكثيف في الطرف الآخر من الأنابيب. ثم قم بتجفيف الأنابيب بالهواء (ربما في وضع الربيع - من المنزل بالخارج، على الرغم من أنني لا أحب هذه الفكرة حقًا).
5. لن يكون هناك قالب (مسودة). لكن الكائنات الحية الدقيقة الأخرى التي تعيش في الشراب هي كذلك كثيرًا. هناك أمل في نظام الشتاء - الهواء البارد الجاف يطهر جيدًا. خيار الحماية هو مرشح عند مخرج البطارية. أو الأشعة فوق البنفسجية (باهظة الثمن)
6. ما مدى الضغط الذي يسببه تحريك الهواء عبر مثل هذا الهيكل؟
مرشح (شبكة دقيقة) عند المدخل
-> اقلب 90 درجة لأسفل
-> أنبوب 4 م 200 مم للأسفل
-> تقسيم التدفق إلى 4 أنابيب مقاس 110 مم
-> 10 متر أفقيا
-> اقلب 90 درجة لأسفل
-> 1 متر للأسفل
-> تدوير 90 درجة
-> 10 متر أفقيا
-> تجميع التدفق في أنبوب 200 مم
-> 2 متر فوق
-> استدر 90 درجة (داخل المنزل)
-> مرشح الجيب الورقي أو القماشي
-> معجب

لدينا أنابيب بطول 25 مترًا، و6 لفات بزاوية 90 درجة (يمكن جعل المنعطفات أكثر سلاسة - 2x45)، ومرشحين. أريد 300-400 م3/ساعة. سرعة التدفق ~ 4 م / ثانية

في بلدنا الغني بالهيدروكربونات، تعد الطاقة الحرارية الأرضية نوعًا من الموارد الغريبة، والتي من غير المرجح، في ظل الوضع الحالي، أن تتنافس مع النفط والغاز. ومع ذلك، يمكن استخدام هذا النوع البديل من الطاقة في كل مكان تقريبًا وبفعالية تامة.

الطاقة الحرارية الأرضية هي الحرارة الموجودة في باطن الأرض. يتم إنتاجه في الأعماق ويصل إلى سطح الأرض أشكال مختلفةوبشدة مختلفة.

تعتمد درجة حرارة الطبقات العليا من التربة بشكل أساسي على العوامل الخارجية (الخارجية) - الإضاءة الشمسية ودرجة حرارة الهواء. في الصيف وفي النهار ترتفع درجة حرارة التربة إلى أعماق معينة، وفي الشتاء وفي الليل تبرد نتيجة التغيرات في درجة حرارة الهواء ومع بعض التأخير الذي يزداد مع العمق. ينتهي تأثير التقلبات اليومية في درجة حرارة الهواء على أعماق تتراوح من عدة إلى عدة عشرات من السنتيمترات. تؤثر التقلبات الموسمية على طبقات أعمق من التربة تصل إلى عشرات الأمتار.

وفي عمق ما - من عشرات إلى مئات الأمتار - تظل درجة حرارة التربة ثابتة، مساوية لمتوسط ​​درجة حرارة الهواء السنوية على سطح الأرض. يمكنك التحقق من ذلك بسهولة عن طريق النزول إلى كهف عميق إلى حد ما.

عندما يكون متوسط ​​درجة حرارة الهواء السنوية في منطقة معينة أقل من الصفر، فإنه يتجلى في صورة التربة الصقيعية (بتعبير أدق، التربة الصقيعية). في شرق سيبيريا، يصل سمك التربة المتجمدة على مدار العام في بعض الأماكن إلى 200-300 متر.

من عمق معين (يختلف لكل نقطة على الخريطة)، يضعف عمل الشمس والغلاف الجوي كثيرًا بحيث تأتي العوامل الداخلية (الداخلية) أولاً ويسخن باطن الأرض من الداخل، فتبدأ درجة الحرارة في الارتفاع مع العمق.

يرتبط تسخين الطبقات العميقة من الأرض بشكل رئيسي بتحلل العناصر المشعة الموجودة هناك، على الرغم من أن مصادر الحرارة الأخرى تسمى أيضًا، على سبيل المثال، العمليات الفيزيائية والكيميائية التكتونية في الطبقات العميقة من قشرة الأرض ووشاحها. ولكن مهما كان السبب فإن درجة حرارة الصخور وما يرتبط بها من مواد سائلة وغازية تزداد مع العمق. يواجه عمال المناجم هذه الظاهرة - فالجو حار دائمًا في المناجم العميقة. على عمق كيلومتر واحد، تكون الحرارة ثلاثين درجة طبيعية، وأعمق درجة الحرارة أعلى.

إن التدفق الحراري لباطن الأرض الذي يصل إلى سطح الأرض صغير - في المتوسط ​​تبلغ قوته 0.03-0.05 واط/م2، أو ما يقرب من 350 واط ساعة/م2 سنويًا. على خلفية تدفق الحرارة من الشمس والهواء الساخن بها، فهذه قيمة غير ملحوظة: فالشمس تعطي كل متر مربع من سطح الأرض حوالي 4000 كيلووات في الساعة سنويًا، أي 10000 مرة أكثر (بالطبع هذا هو في المتوسط، مع فارق كبير بين خطوط العرض القطبية والاستوائية، ويعتمد ذلك على العوامل المناخية والجوية الأخرى).

يرتبط عدم أهمية تدفق الحرارة من الداخل إلى السطح في معظم أنحاء الكوكب بالتوصيل الحراري المنخفض للصخور وخصائص البنية الجيولوجية. ولكن هناك استثناءات - الأماكن التي يكون فيها تدفق الحرارة مرتفعا. هذه هي، أولا وقبل كل شيء، مناطق العيوب التكتونية، وزيادة النشاط الزلزالي والبركاني، حيث تجد طاقة باطن الأرض منفذا. تتميز هذه المناطق بالشذوذ الحراري للغلاف الصخري، حيث يمكن أن يكون تدفق الحرارة الذي يصل إلى سطح الأرض عدة مرات وحتى أقوى من "المعتاد". تجلب الانفجارات البركانية والينابيع الساخنة كميات هائلة من الحرارة إلى السطح في هذه المناطق.

هذه هي المناطق الأكثر ملاءمة لتطوير الطاقة الحرارية الأرضية. على أراضي روسيا، هذه هي، أولا وقبل كل شيء، كامتشاتكا، جزر الكوريل والقوقاز.

في الوقت نفسه، فإن تطوير الطاقة الحرارية الأرضية ممكن في كل مكان تقريبًا، نظرًا لأن الزيادة في درجة الحرارة مع العمق هي ظاهرة عالمية، والمهمة هي "استخراج" الحرارة من الأعماق، تمامًا كما يتم استخراج المواد الخام المعدنية من هناك.

في المتوسط، تزداد درجة الحرارة مع العمق بمقدار 2.5-3 درجة مئوية لكل 100 متر، وتسمى نسبة الفرق في درجة الحرارة بين نقطتين تقعان على أعماق مختلفة إلى الفرق في العمق بينهما بالتدرج الحراري الأرضي.

والمقلوب هو خطوة الطاقة الحرارية الأرضية، أو فترة العمق التي ترتفع عندها درجة الحرارة بمقدار درجة واحدة مئوية.

كلما زاد التدرج، وبالتالي، انخفضت المرحلة، كلما اقتربت حرارة أعماق الأرض من السطح وكلما كانت هذه المنطقة واعدة لتطوير الطاقة الحرارية الأرضية.

في مناطق مختلفة، اعتمادًا على البنية الجيولوجية والظروف الإقليمية والمحلية الأخرى، يمكن أن يختلف معدل زيادة درجة الحرارة مع العمق بشكل كبير. وعلى مقياس الأرض تصل التقلبات في مقادير التدرجات والخطوات الحرارية الأرضية إلى 25 مرة. على سبيل المثال، في ولاية أوريغون (الولايات المتحدة الأمريكية) يبلغ التدرج 150 درجة مئوية لكل كيلومتر واحد، وفي جنوب أفريقيا- 6 درجات مئوية لكل 1 كم.

والسؤال هو ما هي درجة الحرارة في أعماق كبيرة - 5 أو 10 كم أو أكثر؟ وإذا استمر هذا الاتجاه، فمن المتوقع أن يتراوح متوسط ​​درجات الحرارة على عمق 10 كيلومترات بين 250 و300 درجة مئوية تقريبًا. وهذا ما تؤكده الملاحظات المباشرة في الآبار العميقة للغاية، على الرغم من أن الصورة أكثر تعقيدا بكثير من الزيادة الخطية في درجة الحرارة.

على سبيل المثال، في بئر كولا العميق للغاية، الذي تم حفره في الدرع البلوري البلطيقي، تتغير درجة الحرارة حتى عمق 3 كيلومترات بمعدل 10 درجات مئوية/1 كيلومتر، ثم يصبح التدرج الحراري الأرضي أكبر بمقدار 2 إلى 2.5 مرة. وعلى عمق 7 كم، تم بالفعل تسجيل درجة حرارة 120 درجة مئوية، وعلى عمق 10 كم - 180 درجة مئوية، وعلى عمق 12 كم - 220 درجة مئوية.

مثال آخر هو بئر تم حفره في منطقة شمال بحر قزوين، حيث تم تسجيل درجة حرارة 42 درجة مئوية على عمق 500 متر، وعلى عمق 1.5 كم - 70 درجة مئوية، وعلى عمق 2 كم - 80 درجة مئوية، وعلى عمق 3 كم - 108 درجة مئوية. .

ومن المفترض أن التدرج الحراري الأرضي يتناقص بدءاً من عمق 20-30 كم: على عمق 100 كم، تبلغ درجات الحرارة المقدرة حوالي 1300-1500 درجة مئوية، وعلى عمق 400 كم - 1600 درجة مئوية، في باطن الأرض. القلب (أعماق أكثر من 6000 كم) - 4000-5000 درجة مئوية.

وفي أعماق تصل إلى 10-12 كم، يتم قياس درجة الحرارة من خلال الآبار المحفورة. وفي حالة عدم وجودها، يتم تحديدها من خلال علامات غير مباشرة بنفس الطريقة كما هو الحال في الأعماق الأكبر. قد تكون هذه العلامات غير المباشرة هي طبيعة مرور الموجات الزلزالية أو درجة حرارة الحمم البركانية المتفجرة.

ومع ذلك، لأغراض الطاقة الحرارية الأرضية، فإن البيانات المتعلقة بدرجات الحرارة على أعماق تزيد عن 10 كيلومترات ليست ذات أهمية عملية بعد.

هناك الكثير من الحرارة على أعماق عدة كيلومترات، ولكن كيف نرفعها؟ في بعض الأحيان تحل الطبيعة نفسها هذه المشكلة بالنسبة لنا بمساعدة المبرد الطبيعي - المياه الحرارية الساخنة التي تظهر على السطح أو تقع على عمق يمكننا الوصول إليه. وفي بعض الحالات يتم تسخين الماء الموجود في الأعماق إلى حالة البخار.

لا يوجد تعريف صارم لمفهوم "المياه الحرارية". ويقصد بها عادة المياه الجوفية الساخنة في حالة سائلة أو على شكل بخار، ومنها تلك التي تصل إلى سطح الأرض بدرجة حرارة تزيد عن 20 درجة مئوية، أي عادة أعلى من درجة حرارة الهواء. .

إن حرارة المياه الجوفية والبخار ومخاليط الماء والبخار هي طاقة حرارية مائية. وبناء على ذلك، فإن الطاقة المعتمدة على استخدامها تسمى الطاقة الحرارية المائية.

الوضع أكثر تعقيدا عند استخراج الحرارة مباشرة من الصخور الجافة - الطاقة الحرارية البترولية، خاصة وأن درجات الحرارة المرتفعة إلى حد ما، كقاعدة عامة، تبدأ من أعماق عدة كيلومترات.

على أراضي روسيا، فإن إمكانات الطاقة الحرارية النفطية أعلى مائة مرة من الطاقة الحرارية المائية - 3500 و 35 تريليون طن، على التوالي. الوقود القياسي. هذا أمر طبيعي تماما - دفء أعماق الأرض متوفر في كل مكان، والمياه الحرارية موجودة محليا. ومع ذلك، وبسبب الصعوبات التقنية الواضحة، تُستخدم المياه الحرارية حاليًا في الغالب لتوليد الحرارة والكهرباء.

المياه التي تتراوح درجات حرارتها بين 20-30 إلى 100 درجة مئوية مناسبة للتدفئة، ودرجات الحرارة من 150 درجة مئوية وما فوق مناسبة لتوليد الكهرباء في محطات الطاقة الحرارية الأرضية.

بشكل عام، فإن موارد الطاقة الحرارية الأرضية في روسيا، من حيث أطنان الوقود المكافئ أو أي وحدة أخرى لقياس الطاقة، تزيد بحوالي 10 مرات عن احتياطيات الوقود الأحفوري.

من الناحية النظرية، فقط بسبب الطاقة الحرارية الأرضيةسيكون من الممكن تلبية احتياجات البلاد من الطاقة بشكل كامل. تقريبا على هذه اللحظةوهذا غير ممكن في معظم أراضيها لأسباب فنية واقتصادية.

في العالم، يرتبط استخدام الطاقة الحرارية الأرضية في أغلب الأحيان بأيسلندا، وهي دولة تقع في الطرف الشمالي من سلسلة جبال وسط المحيط الأطلسي، في منطقة تكتونية وبركانية نشطة للغاية. ربما يتذكر الجميع الانفجار القوي لبركان Eyjafjallajökull ( إيجافجالاجوكول) في عام 2010.

وبفضل هذه الخصوصية الجيولوجية تمتلك أيسلندا احتياطيات هائلة من الطاقة الحرارية الأرضية، بما في ذلك الينابيع الساخنة التي تظهر على سطح الأرض وحتى تتدفق على شكل ينابيع ماء حارة.

في أيسلندا، أكثر من 60% من إجمالي الطاقة المستهلكة حاليًا تأتي من الأرض. توفر مصادر الطاقة الحرارية الأرضية 90% من التدفئة و30% من توليد الكهرباء. دعونا نضيف أن بقية الكهرباء في البلاد يتم إنتاجها عن طريق محطات الطاقة الكهرومائية، أي باستخدام مصدر للطاقة المتجددة أيضًا، مما يجعل أيسلندا تبدو وكأنها نوع من المعايير البيئية العالمية.

إن تدجين الطاقة الحرارية الأرضية في القرن العشرين أفاد أيسلندا اقتصاديًا بشكل كبير. حتى منتصف القرن الماضي، كانت دولة فقيرة للغاية، وهي الآن تحتل المرتبة الأولى في العالم من حيث القدرة المركبة وإنتاج الطاقة الحرارية الأرضية للفرد وهي في المراكز العشرة الأولى من حيث القدرة المركبة المطلقة لمحطات الطاقة الحرارية الأرضية . ومع ذلك، يبلغ عدد سكانها 300 ألف نسمة فقط، مما يبسط مهمة التحول إلى مصادر الطاقة الصديقة للبيئة: فالحاجة إليها قليلة بشكل عام.

بالإضافة إلى أيسلندا، يتم توفير حصة كبيرة من الطاقة الحرارية الأرضية في التوازن العام لإنتاج الكهرباء في نيوزيلندا والدول الجزرية في جنوب شرق آسيا (الفلبين وإندونيسيا)، ودول أمريكا الوسطى وشرق إفريقيا، والتي تعد أراضيها أيضًا وتتميز بالنشاط الزلزالي والبركاني العالي. وبالنسبة لهذه البلدان، وفي مستواها الحالي من التنمية والاحتياجات، فإن الطاقة الحرارية الأرضية تساهم بشكل كبير في التنمية الاجتماعية والاقتصادية.

إن استخدام الطاقة الحرارية الأرضية له تاريخ طويل جدًا. أحد الأمثلة الأولى المعروفة هي إيطاليا، وهي مكان في مقاطعة توسكانا، تسمى الآن لاردريللو، حيث في بداية القرن التاسع عشر، تم استخدام المياه الحرارية المحلية الساخنة، التي تتدفق بشكل طبيعي أو مستخرجة من الآبار الضحلة، لأغراض الطاقة.

تم استخدام المياه من المصادر الجوفية الغنية بالبورون هنا للحصول عليها حمض البوريك. في البداية، تم الحصول على هذا الحمض عن طريق التبخر في غلايات الحديد، وتم أخذ الخشب العادي من الغابات المجاورة كوقود، ولكن في عام 1827 أنشأ فرانشيسكو لارديريل نظامًا يعمل على حرارة المياه نفسها. في الوقت نفسه، بدأ استخدام طاقة بخار الماء الطبيعي لتشغيل منصات الحفر، وفي بداية القرن العشرين - لتدفئة المنازل المحلية والدفيئات الزراعية. هناك، في لاردريللو، في عام 1904، أصبح بخار الماء الحراري مصدرًا للطاقة لتوليد الكهرباء.

وقد حذت العديد من البلدان الأخرى حذو إيطاليا في نهاية القرن التاسع عشر وبداية القرن العشرين. على سبيل المثال، في عام 1892، تم استخدام المياه الحرارية لأول مرة للتدفئة المحلية في الولايات المتحدة الأمريكية (بويز، أيداهو)، وفي عام 1919 في اليابان، وفي عام 1928 في أيسلندا.

في الولايات المتحدة الأمريكية، ظهرت أول محطة للطاقة تعمل بالطاقة الحرارية المائية في كاليفورنيا في أوائل الثلاثينيات، في نيوزيلندا - في عام 1958، في المكسيك - في عام 1959، في روسيا (أول GeoPP ثنائي في العالم) - في عام 1965.

المبدأ القديم على مصدر جديد

توليد الكهرباء يتطلب المزيد درجة حرارة عاليةمصدر مائي أكثر من التدفئة - أكثر من 150 درجة مئوية. يشبه مبدأ تشغيل محطة الطاقة الحرارية الأرضية (GeoPP) مبدأ تشغيل محطة الطاقة الحرارية التقليدية (CHP). في الواقع، محطة الطاقة الحرارية الأرضية هي نوع من محطات الطاقة الحرارية.

في محطات الطاقة الحرارية، عادة ما يكون مصدر الطاقة الأساسي هو الفحم أو الغاز أو زيت الوقود، وسائل العمل هو بخار الماء. يقوم الوقود عند احتراقه بتسخين الماء إلى حالة البخار الذي يدور توربينات البخار، ويولد الكهرباء.

الفرق بين GeoPP هو أن المصدر الأساسي للطاقة هنا هو حرارة باطن الأرض ويتم إمداد سائل العمل على شكل بخار إلى ريش توربينات المولد الكهربائي في شكل "جاهز" مباشرة من بئر الإنتاج .

هناك ثلاثة مخططات تشغيل رئيسية لـ GeoPPs: المباشر، باستخدام البخار الجاف (الحراري الأرضي)؛ غير المباشرة، المعتمدة على المياه الحرارية المائية، والمختلطة، أو الثنائية.

يعتمد استخدام هذا المخطط أو ذاك على حالة التجميع ودرجة حرارة حامل الطاقة.

إن أبسط المخططات المتقنة وبالتالي الأولى هي المباشرة، حيث يتم تمرير البخار القادم من البئر مباشرة عبر التوربين. كما تم تشغيل أول محطة طاقة جيوكهربائية في العالم في لاردريللو عام 1904 بالبخار الجاف.

تعد GeoPPs ذات مخطط التشغيل غير المباشر هي الأكثر شيوعًا في عصرنا. ويستخدمون المياه الجوفية الساخنة، التي يتم ضخها تحت ضغط عالٍ إلى المبخر، حيث يتبخر جزء منه، ويقوم البخار الناتج بتدوير التوربين. في بعض الحالات، تكون هناك حاجة إلى أجهزة ودوائر إضافية لتنقية المياه الحرارية الأرضية والبخار من المركبات العدوانية.

يدخل بخار العادم إلى بئر الحقن أو يستخدم لتدفئة المبنى - وفي هذه الحالة يكون المبدأ هو نفسه عند تشغيل محطة الطاقة الحرارية.

في GeoPPs الثنائية، يتفاعل الماء الحراري الساخن مع سائل آخر يؤدي وظائف السائل العامل بنقطة غليان أقل. يتم تمرير كلا السائلين عبر مبادل حراري، حيث يبخر الماء الحراري سائل العمل، الذي تقوم أبخرته بتدوير التوربين.

وهذا النظام مغلق مما يحل مشكلة الانبعاثات في الغلاف الجوي. بالإضافة إلى ذلك، فإن سوائل العمل ذات نقطة الغليان المنخفضة نسبيًا تجعل من الممكن استخدام المياه الحرارية غير الساخنة جدًا كمصدر أساسي للطاقة.

وتستخدم المخططات الثلاثة جميعها مصدرًا حراريًا مائيًا، ولكن يمكن أيضًا استخدام الطاقة الحرارية النفطية لتوليد الكهرباء.

مخطط الدائرة في هذه الحالة بسيط جدًا أيضًا. من الضروري حفر بئرين مترابطين - الحقن والإنتاج. يتم ضخ الماء في بئر الحقن. يتم تسخينه في العمق، ثم يتم ضخ الماء الساخن أو البخار المتكون نتيجة التسخين القوي إلى السطح من خلال بئر الإنتاج. ثم كل هذا يتوقف على كيفية استخدام الطاقة الحرارية النفطية - للتدفئة أو لتوليد الكهرباء. يمكن إجراء دورة مغلقة من خلال ضخ البخار والمياه العادمة مرة أخرى إلى بئر الحقن أو أي طريقة أخرى للتخلص من النفايات.

عيب مثل هذا النظام واضح: للحصول على درجة حرارة عالية بما فيه الكفاية لسائل العمل، من الضروري حفر الآبار إلى أعماق كبيرة. وهذه تكاليف خطيرة وخطر فقدان كبير للحرارة عندما يتحرك السائل للأعلى. لذلك، لا تزال الأنظمة النفطية الحرارية أقل انتشارًا مقارنة بالأنظمة الحرارية المائية، على الرغم من أن إمكانات الطاقة الحرارية النفطية أعلى بكثير.

حاليًا، الشركة الرائدة في إنشاء ما يسمى بأنظمة تداول النفط الحراري (PCS) هي أستراليا. وبالإضافة إلى ذلك، فإن هذا المجال من الطاقة الحرارية الأرضية يتطور بنشاط في الولايات المتحدة الأمريكية وسويسرا وبريطانيا العظمى واليابان.

هدية من اللورد كلفن

إن اختراع المضخة الحرارية في عام 1852 من قبل الفيزيائي ويليام طومسون (المعروف أيضًا باسم اللورد كلفن) أتاح للبشرية فرصة حقيقية لاستخدام الحرارة المنخفضة للطبقات العليا من التربة. يعتمد نظام المضخة الحرارية، أو كما أسماه طومسون، مضاعف الحرارة العملية الجسديةنقل الحرارة من بيئةإلى المبرد. في الأساس، يستخدم نفس مبدأ الأنظمة النفطية الحرارية. يكمن الاختلاف في مصدر الحرارة، الأمر الذي قد يثير سؤالاً اصطلاحيًا: إلى أي مدى يمكن اعتبار المضخة الحرارية نظامًا للطاقة الحرارية الأرضية؟ والحقيقة هي أنه في الطبقات العليا، على أعماق تتراوح بين عشرات ومئات الأمتار، لا يتم تسخين الصخور والسوائل التي تحتوي عليها بسبب حرارة الأرض العميقة، بل بسبب الشمس. وبالتالي، فإن الشمس في هذه الحالة هي المصدر الأساسي للحرارة، على الرغم من أنها مأخوذة، كما هو الحال في أنظمة الطاقة الحرارية الأرضية، من الأرض.

يعتمد تشغيل المضخة الحرارية على تأخير تسخين وتبريد التربة مقارنة بالجو، مما يؤدي إلى تكوين تدرج حراري بين الطبقات السطحية والطبقات العميقة التي تحتفظ بالحرارة حتى في فصل الشتاء، تماماً كما يحدث في الخزانات . الغرض الرئيسي من المضخات الحرارية هو تسخين الفضاء. إنها في جوهرها "ثلاجة عكسية". تتفاعل كل من المضخة الحرارية والثلاجة مع ثلاثة مكونات: البيئة الداخلية (في الحالة الأولى - غرفة ساخنة، في الثانية - الغرفة المبردة للثلاجة)، البيئة الخارجية - مصدر الطاقة ووحدة التبريد (المبرد) وهو أيضًا مبرد يضمن نقل الحرارة أو البرودة.

تعمل المادة ذات نقطة الغليان المنخفضة كمبرد، مما يسمح لها بأخذ الحرارة من مصدر له درجة حرارة منخفضة نسبيًا.

في الثلاجة، يتدفق سائل التبريد من خلال دواسة الوقود (منظم الضغط) إلى المبخر، حيث يتبخر السائل بسبب الانخفاض الحاد في الضغط. التبخر هو عملية ماصة للحرارة تتطلب امتصاص الحرارة من الخارج. ونتيجة لذلك، تتم إزالة الحرارة من الجدران الداخلية للمبخر، مما يوفر تأثير التبريد في غرفة الثلاجة. بعد ذلك، يتم سحب مادة التبريد من المبخر إلى الضاغط، حيث يتم إعادتها إلى الحالة السائلة. هذا عملية عكسيةمما يؤدي إلى إطلاق الحرارة المزالة في البيئة الخارجية. كقاعدة عامة، يتم إلقاؤها في الداخل، و الجدار الخلفيالثلاجة دافئة نسبيا.

تعمل المضخة الحرارية بنفس الطريقة تقريبًا، مع اختلاف أن الحرارة تؤخذ من البيئة الخارجية وتدخل من خلال المبخر إلى البيئة الداخلية - نظام تدفئة الغرفة.

في المضخة الحرارية الحقيقية، يتم تسخين الماء عن طريق المرور عبر دائرة خارجية توضع في الأرض أو الخزان، ثم يدخل إلى المبخر.

في المبخر، يتم نقل الحرارة إلى دائرة داخلية مملوءة بمادة تبريد ذات نقطة غليان منخفضة، والتي، من خلال المبخر، تتحول من الحالة السائلة إلى الحالة الغازية، مما يؤدي إلى إزالة الحرارة.

بعد ذلك، يدخل المبرد الغازي إلى الضاغط، حيث يتم ضغطه إلى ضغط ودرجة حرارة عالية، ويدخل إلى المكثف، حيث يحدث التبادل الحراري بين الغاز الساخن والمبرد من نظام التدفئة.

يحتاج الضاغط إلى الكهرباء لتشغيله، إلا أن نسبة التحويل (نسبة الطاقة المستهلكة والمولدة) في الأنظمة الحديثةعالية بما يكفي لضمان فعاليتها.

حاليا، تستخدم المضخات الحرارية على نطاق واسع لتدفئة الفضاء، وخاصة في المجال الاقتصادي الدول المتقدمة.

الطاقة البيئية الصحيحة

تعتبر الطاقة الحرارية الأرضية صديقة للبيئة، وهذا صحيح بشكل عام. أولا وقبل كل شيء، فهو يستخدم موردا متجددا ولا ينضب تقريبا. ولا تتطلب الطاقة الحرارية الأرضية مساحات كبيرة، على عكس محطات الطاقة الكهرومائية الكبيرة أو مزارع الرياح، ولا تلوث الغلاف الجوي، على عكس الطاقة الهيدروكربونية. في المتوسط، تشغل منطقة GeoPP مساحة 400 متر مربع من حيث 1 جيجاوات من الكهرباء المولدة. ونفس الرقم بالنسبة لمحطة طاقة حرارية تعمل بالفحم، على سبيل المثال، هو 3600 متر مربع. تشمل المزايا البيئية لـ GeoPPs أيضًا انخفاض استهلاك المياه - 20 لترًا من المياه العذبة لكل 1 كيلووات، بينما تتطلب محطات الطاقة الحرارية ومحطات الطاقة النووية حوالي 1000 لتر. لاحظ أن هذه هي المؤشرات البيئية لـ GeoPP "المتوسط".

ولكن لا تزال هناك آثار جانبية سلبية. من بينها، غالبا ما يتم تحديد الضوضاء والتلوث الحراري للغلاف الجوي والتلوث الكيميائي للمياه والتربة، وكذلك تكوين النفايات الصلبة.

المصدر الرئيسي للتلوث الكيميائي للبيئة هو المياه الحرارية نفسها (ذات درجة الحرارة العالية والتمعدن)، والتي تحتوي غالبًا على كميات كبيرةالمركبات السامة، وبالتالي هناك مشكلة في التخلص من مياه الصرف الصحي والمواد الخطرة.

يمكن تتبع الآثار السلبية للطاقة الحرارية الأرضية على عدة مراحل، بدءاً بحفر الآبار. تنشأ هنا نفس المخاطر عند حفر أي بئر: تدمير التربة والغطاء النباتي، وتلوث التربة والمياه الجوفية.

في مرحلة تشغيل GeoPP، لا تزال مشاكل التلوث البيئي قائمة. تحتوي السوائل الحرارية - الماء والبخار - عادة على ثاني أكسيد الكربون (CO 2)، وكبريتيد الكبريت (H 2 S)، والأمونيا (NH 3)، والميثان (CH 4)، وملح الطعام (NaCl)، والبورون (B)، والزرنيخ (As). )، الزئبق (زئبق). وعندما يتم إطلاقها في البيئة الخارجية، فإنها تصبح مصادر للتلوث. بالإضافة إلى ذلك، يمكن أن تتسبب البيئة الكيميائية العدوانية في تدمير هياكل محطات الطاقة الحرارية الأرضية بشكل تآكل.

وفي الوقت نفسه، تكون انبعاثات الملوثات الناتجة عن GeoPPs أقل في المتوسط ​​من محطات الطاقة الحرارية. على سبيل المثال، الانبعاثات ثاني أكسيد الكربونلكل كيلوواط ساعة من الكهرباء المولدة يصل إلى 380 جرامًا في محطات الطاقة الحرارية الأرضية، و1042 جرامًا في محطات الطاقة الحرارية التي تعمل بالفحم، و906 جرامًا في محطات الطاقة التي تعمل بالنفط، و453 جرامًا في محطات الطاقة الحرارية التي تعمل بالغاز.

السؤال الذي يطرح نفسه: ماذا تفعل بالمياه العادمة؟ إذا كان التمعدن منخفضًا، فيمكن تصريفه إلى المياه السطحية بعد التبريد. والطريقة الأخرى هي ضخها مرة أخرى إلى طبقة المياه الجوفية من خلال بئر الحقن، وهو المفضل والمستخدم في الوقت الحاضر.

يمكن أن يسبب استخراج المياه الحرارية من طبقات المياه الجوفية (وكذلك ضخ المياه العادية) هبوطًا وحركات للتربة، وتشوهات أخرى للطبقات الجيولوجية، وزلازل صغيرة. ومع ذلك، فإن احتمال حدوث مثل هذه الأحداث منخفض بشكل عام الحالات الفرديةالمسجلة (على سبيل المثال، في GeoPP في Staufen im Breisgau في ألمانيا).

وينبغي التأكيد على أن معظم GeoPPs تقع في مناطق ذات كثافة سكانية منخفضة نسبيًا وفي دول العالم الثالث، حيث تكون المتطلبات البيئية أقل صرامة مما هي عليه في البلدان المتقدمة. بالإضافة إلى ذلك، فإن عدد GeoPPs وقدراتها صغير نسبيًا في الوقت الحالي. ومع تطوير الطاقة الحرارية الأرضية على نطاق واسع، قد تتزايد المخاطر البيئية وتتضاعف.

كم تبلغ طاقة الأرض؟

تختلف تكاليف الاستثمار في بناء أنظمة الطاقة الحرارية الأرضية في نطاق واسع جدًا - من 200 إلى 5000 دولار لكل 1 كيلوواط من القدرة المركبة، أي أن أرخص الخيارات يمكن مقارنتها بتكلفة بناء محطة للطاقة الحرارية. وهي تعتمد في المقام الأول على ظروف حدوث المياه الحرارية وتكوينها وتصميم النظام. الحفر إلى أعماق كبيرة، وإنشاء نظام مغلق ببئرين، والحاجة إلى تنقية المياه يمكن أن يزيد التكلفة عدة مرات.

على سبيل المثال، تقدر الاستثمارات في إنشاء نظام تداول الطاقة الحرارية النفطية (PCS) بمبلغ يتراوح بين 1.6 إلى 4 آلاف دولار لكل 1 كيلوواط من القدرة المركبة، وهو ما يتجاوز تكاليف بناء محطة للطاقة النووية ويمكن مقارنته بتكاليف بناء طاقة الرياح وطاقة الرياح. محطات الطاقة الشمسية.

الميزة الاقتصادية الواضحة لـ GeoTES هي الطاقة المجانية. وعلى سبيل المقارنة، في هيكل تكلفة محطة الطاقة الحرارية العاملة أو محطة الطاقة النووية، يمثل الوقود ما بين 50 إلى 80٪ أو أكثر، اعتمادًا على أسعار الطاقة الحالية. ومن هنا ميزة أخرى لنظام الطاقة الحرارية الأرضية: تكاليف التشغيل أكثر استقرارا ويمكن التنبؤ بها، لأنها لا تعتمد على ظروف أسعار الطاقة الخارجية. بشكل عام، تقدر تكاليف تشغيل محطات الطاقة الحرارية الأرضية بنحو 2-10 سنتات (60 كوبيل-3 روبل) لكل 1 كيلوواط ساعة من الطاقة المنتجة.

ثاني أكبر بند من النفقات بعد الطاقة (ومهم جدًا) هو، كقاعدة عامة، الأجرالعاملين في المصنع، والتي يمكن أن تختلف بشكل كبير بين البلدان والمناطق.

في المتوسط، تكلفة 1 كيلووات ساعة من الطاقة الحرارية الأرضية قابلة للمقارنة مع محطات الطاقة الحرارية (في الظروف الروسية - حوالي 1 روبل/1 كيلووات ساعة) وأعلى بعشر مرات من تكلفة توليد الكهرباء في محطة الطاقة الكهرومائية (5-10). كوبيل / 1 كيلووات ساعة).

جزء من سبب ارتفاع التكلفة هو أن محطات الطاقة الحرارية الأرضية، على عكس محطات الطاقة الحرارية والهيدروليكية، لديها طاقة صغيرة نسبيًا. بالإضافة إلى ذلك، من الضروري مقارنة الأنظمة الموجودة في نفس المنطقة وفي ظل ظروف مماثلة. على سبيل المثال، في كامتشاتكا، وفقًا للخبراء، تبلغ تكلفة 1 كيلووات ساعة من الكهرباء الحرارية الأرضية أقل بمقدار 2-3 مرات من الكهرباء المنتجة في محطات الطاقة الحرارية المحلية.

تعتمد مؤشرات الكفاءة الاقتصادية لنظام الطاقة الحرارية الأرضية، على سبيل المثال، على ما إذا كان من الضروري التخلص من مياه الصرف الصحي وبأي طرق يتم ذلك، وما إذا كان الاستخدام المشترك للمورد ممكنًا. لذا، العناصر الكيميائيةويمكن للمركبات المستخرجة من المياه الحرارية أن توفر دخلاً إضافيًا. لنتذكر مثال لاردريللو: كان الإنتاج الكيميائي أساسيًا هناك، وكان استخدام الطاقة الحرارية الأرضية في البداية ذا طبيعة مساعدة.

الطاقة الحرارية الأرضية إلى الأمام

تتطور الطاقة الحرارية الأرضية بشكل مختلف بعض الشيء عن طاقة الرياح والطاقة الشمسية. وفي الوقت الحالي، يعتمد ذلك إلى حد أكبر على طبيعة المورد نفسه، والذي يختلف بشكل حاد حسب المنطقة، وترتبط أعلى التركيزات بمناطق ضيقة من شذوذات الطاقة الحرارية الأرضية، والتي ترتبط عادةً بمناطق الصدوع التكتونية والبراكين.

وبالإضافة إلى ذلك، فإن الطاقة الحرارية الأرضية أقل كثافة من الناحية التكنولوجية مقارنة بطاقة الرياح، وخاصة الطاقة الشمسية: فأنظمة محطات الطاقة الحرارية الأرضية بسيطة للغاية.

وفي الهيكل العام لإنتاج الكهرباء العالمي، يمثل عنصر الطاقة الحرارية الأرضية أقل من 1٪، ولكن في بعض المناطق والبلدان تصل حصتها إلى 25-30٪. نظرا للاتصال بالظروف الجيولوجية، فإن جزءا كبيرا من قدرة الطاقة الحرارية الأرضية يتركز في بلدان العالم الثالث، حيث توجد ثلاث مجموعات من أعظم تطور الصناعة - جزر جنوب شرق آسيا وأمريكا الوسطى وشرق أفريقيا. يتم تضمين المنطقتين الأولين في "حزام نار الأرض" في المحيط الهادئ، والثالثة مرتبطة بصدع شرق إفريقيا. ومن المرجح أن تستمر الطاقة الحرارية الأرضية في التطور في هذه الأحزمة. والاحتمال الأبعد هو تطوير الطاقة الحرارية النفطية، وذلك باستخدام حرارة طبقات الأرض الواقعة على عمق عدة كيلومترات. يعد هذا موردًا موجودًا في كل مكان تقريبًا، لكن استخراجه يتطلب تكاليف عالية، لذلك تتطور الطاقة الحرارية النفطية في المقام الأول في الدول الأكثر قوة اقتصاديًا وتكنولوجيًا.

بشكل عام، ونظرًا للتوزيع الواسع النطاق لموارد الطاقة الحرارية الأرضية والمستوى المقبول من السلامة البيئية، هناك سبب للاعتقاد بأن الطاقة الحرارية الأرضية تتمتع بآفاق تنمية جيدة. خاصة مع تزايد التهديد بنقص موارد الطاقة التقليدية وارتفاع أسعارها.

من كامتشاتكا إلى القوقاز

في روسيا، يتمتع تطوير الطاقة الحرارية الأرضية بتاريخ طويل إلى حد ما، وفي عدد من المواقف نحن من بين قادة العالم، على الرغم من أن حصة الطاقة الحرارية الأرضية في ميزان الطاقة الإجمالي للدولة الضخمة لا تزال ضئيلة.

أصبحت منطقتان رائدتين ومركزتين لتطوير الطاقة الحرارية الأرضية في روسيا - كامتشاتكا وشمال القوقاز، وإذا كنا نتحدث في الحالة الأولى في المقام الأول عن صناعة الطاقة الكهربائية، ففي الحالة الثانية - عن استخدام الطاقة الحرارية من المياه الحرارية.

في شمال القوقاز - في إقليم كراسنودار، الشيشان، داغستان - تم استخدام حرارة المياه الحرارية لأغراض الطاقة حتى قبل الحرب الوطنية العظمى. وفي الثمانينيات والتسعينيات، توقف تطوير الطاقة الحرارية الأرضية في المنطقة، لأسباب واضحة، ولم يخرج بعد من حالة الركود. ومع ذلك، فإن إمدادات المياه الحرارية الأرضية في شمال القوقاز توفر الحرارة لحوالي 500 ألف شخص، وعلى سبيل المثال، يتم تسخين مدينة لابينسك في إقليم كراسنودار التي يبلغ عدد سكانها 60 ألف نسمة بالكامل عن طريق المياه الحرارية الأرضية.

في كامتشاتكا، يرتبط تاريخ الطاقة الحرارية الأرضية في المقام الأول ببناء GeoPPs. تم بناء أولها، وهي محطتي Pauzhetskaya وParatunka، في الفترة ما بين 1965-1967 والتي لا تزال تعمل، في حين أصبحت Paratunka GeoPP بسعة 600 كيلوواط أول محطة في العالم ذات دورة ثنائية. كان هذا هو تطور العلماء السوفييت إس إس كوتاتيلادزه وأيه إم روزنفيلد من معهد الفيزياء الحرارية SB RAS، الذين حصلوا في عام 1965 على شهادة المؤلف لاستخراج الكهرباء من الماء عند درجة حرارة 70 درجة مئوية. أصبحت هذه التقنية فيما بعد النموذج الأولي لأكثر من 400 GeoPPs الثنائية في العالم.

كانت قدرة محطة Pauzhetskaya GeoPP، التي تم تشغيلها في عام 1966، في البداية 5 ميجاوات وتمت زيادتها لاحقًا إلى 12 ميجاوات. ويجري حاليا بناء وحدة ثنائية في المحطة ستزيد قدرتها بمقدار 2.5 ميجاوات أخرى.

تم إعاقة تطوير الطاقة الحرارية الأرضية في الاتحاد السوفياتي وروسيا بسبب توافر مصادر الطاقة التقليدية - النفط والغاز والفحم، لكنها لم تتوقف أبدا. أكبر منشآت الطاقة الحرارية الأرضية في الوقت الحالي هي Verkhne-Mutnovskaya GeoPP بسعة إجمالية لوحدات الطاقة تبلغ 12 ميجاوات، تم تشغيلها في عام 1999، وMutnovskaya GeoPP بسعة 50 ميجاوات (2002).

تعد Mutnovskaya وVerkhne-Mutnovskaya GeoPPs كائنات فريدة ليس فقط بالنسبة لروسيا، ولكن أيضًا على المستوى العالمي. وتقع المحطات عند سفح بركان موتنوفسكي، على ارتفاع 800 متر فوق سطح البحر، وتعمل في ظروف مناخية قاسية، حيث يحل فصل الشتاء لمدة 9-10 أشهر في السنة. تم إنشاء معدات Mutnovsky GeoPPs، والتي تعد حاليًا واحدة من أحدث الأجهزة في العالم، بالكامل في مؤسسات هندسة الطاقة المحلية.

حاليًا، تبلغ حصة محطات موتنوفسكي في هيكل استهلاك الطاقة الإجمالي لمركز الطاقة المركزي في كامتشاتكا 40٪. وهناك خطط لزيادة القدرة في السنوات المقبلة.

وينبغي الإشارة بشكل خاص إلى التطورات النفطية الحرارية الروسية. ليس لدينا مراكز حفر كبيرة حتى الآن، لكن لدينا تقنيات متقدمة للحفر إلى أعماق كبيرة (حوالي 10 كيلومترات)، والتي لا يوجد لها مثيل في العالم. هُم مزيد من التطويرسوف يقلل بشكل جذري من تكاليف إنشاء أنظمة النفط الحرارية. مطورو هذه التقنيات والمشاريع هم N. A. Gnatus، M. D. Khutorskoy (المعهد الجيولوجي التابع للأكاديمية الروسية للعلوم)، A. S. Nekrasov (معهد التنبؤ الاقتصادي الوطني التابع للأكاديمية الروسية للعلوم) والمتخصصين من مصنع كالوغا للتوربينات. حاليا، مشروع نظام تداول النفط الحراري في روسيا هو في المرحلة التجريبية.

تتمتع الطاقة الحرارية الأرضية بآفاق واعدة في روسيا، على الرغم من أنها بعيدة نسبيًا: فالإمكانيات كبيرة جدًا في الوقت الحالي وموقع الطاقة التقليدية قوي. في الوقت نفسه، في عدد من المناطق النائية في البلاد، يعد استخدام الطاقة الحرارية الأرضية مربحًا اقتصاديًا وهو مطلوب بالفعل. هذه هي المناطق ذات الإمكانات العالية في مجال الطاقة الجيولوجية (تشوكوتكا، كامتشاتكا، جزر الكوريل - الجزء الروسي من "حزام الأرض الناري" في المحيط الهادئ، وجبال جنوب سيبيريا والقوقاز) وفي نفس الوقت نائية ومعزولة عن المناطق المركزية إمدادات الطاقة.

ربما، في العقود المقبلة، ستتطور الطاقة الحرارية الأرضية في بلدنا على وجه التحديد في هذه المناطق.

"استخدام الطاقة الحرارية المنخفضة للأرض في أنظمة المضخات الحرارية"

فاسيليف جي بي، المدير العلمي لشركة OJSC INSOLAR-INVEST، دكتوراه في العلوم التقنية، رئيس مجلس إدارة شركة OJSC INSOLAR-INVEST
N. V. شيلكين، مهندس، NISF (موسكو)

الاستخدام الرشيد لموارد الوقود والطاقةيمثل اليوم إحدى مشاكل العالم العالمي، والتي يبدو أن حلها الناجح سيكون ذا أهمية حاسمة ليس فقط لمزيد من تطوير المجتمع العالمي، ولكن أيضًا للحفاظ على بيئته. إحدى الطرق الواعدة لحل هذه المشكلة هي تطبيق التقنيات الجديدة الموفرة للطاقةاستخدام مصادر الطاقة المتجددة غير التقليدية (NRES)وقد أدى استنزاف احتياطيات الوقود الأحفوري التقليدية والعواقب البيئية لاحتراقها إلى العقود الاخيرةزيادة كبيرة في الاهتمام بهذه التقنيات في جميع دول العالم المتقدمة تقريبًا.

ترتبط مزايا استخدام تقنيات الإمداد الحراري، مقارنة بنظيراتها التقليدية، ليس فقط بالتخفيضات الكبيرة في تكاليف الطاقة في أنظمة دعم الحياة للمباني والهياكل، ولكن أيضًا بملاءمتها للبيئة، فضلاً عن الفرص الجديدة في هذا المجال. زيادة درجة استقلالية أنظمة دعم الحياة. ومن الواضح أن هذه الصفات ستكون لها أهمية حاسمة في تشكيل الوضع التنافسي في سوق معدات توليد الحرارة في المستقبل القريب.

تحليل المناطق الممكنةالتطبيق في الاقتصاد الروسي لتقنيات توفير الطاقة باستخدام مصادر الطاقة غير التقليدية، يوضح أن المجال الواعد في روسيا لتنفيذها هو أنظمة دعم الحياة للمباني. في الوقت نفسه، يبدو أن الاستخدام الواسع النطاق هو اتجاه فعال للغاية لإدخال التقنيات قيد النظر في ممارسة البناء المحلي. أنظمة تسخين المضخات الحرارية (HST)باستخدام تربة الطبقات السطحية للأرض كمصدر حرارة منخفض الإمكانات يمكن الوصول إليه عالميًا.

استخدام حرارة الارضيمكن التمييز بين نوعين من الطاقة الحرارية - عالية الإمكانات ومنخفضة الإمكانات. مصدر الطاقة الحرارية ذات الإمكانات العالية هو الموارد الحرارية المائية - المياه الحرارية التي يتم تسخينها نتيجة للعمليات الجيولوجية إلى درجة حرارة عالية، مما يسمح باستخدامها لتوفير الحرارة للمباني. ومع ذلك، فإن استخدام الحرارة العالية المحتملة من الأرض يقتصر على المناطق ذات المعالم الجيولوجية المحددة. في روسيا، على سبيل المثال، كامتشاتكا، منطقة المياه المعدنية القوقازية؛ وفي أوروبا، توجد مصادر للحرارة ذات الإمكانات العالية في المجر وأيسلندا وفرنسا.

وعلى النقيض من الاستخدام "المباشر" للحرارة عالية الجودة (الموارد الحرارية المائية)، استخدام الحرارة المنخفضة من الأرضاستخدام المضخات الحرارية ممكن في كل مكان تقريبًا. يعد هذا حاليًا أحد أكثر مجالات الاستخدام تطورًا ديناميكيًا. مصادر الطاقة المتجددة غير التقليدية.

حرارة الأرض منخفضة الدرجةيمكن استخدامه في أنواع مختلفة من المباني والهياكل بعدة طرق: للتدفئة، وإمدادات المياه الساخنة، وتكييف الهواء (التبريد)، ومسارات التدفئة في وقت الشتاءسنة، لمنع الجليد، والحقول الحرارية في الملاعب المفتوحة، وما إلى ذلك. في الأدبيات الفنية الإنجليزية، يتم تصنيف هذه الأنظمة على أنها "GHP" - "مضخات الحرارة الحرارية الأرضية"، مضخات الحرارة الجوفية.

الخصائص المناخية لبلدان وسط وشمال أوروبا، والتي، إلى جانب الولايات المتحدة الأمريكية وكندا، هي المناطق الرئيسية لاستخدام الحرارة المنخفضة الدرجة من الأرض، تحدد بشكل أساسي الحاجة إلى التدفئة؛ تبريد الهواء حتى في فترة الصيفمطلوب نادرا نسبيا. لذلك، على عكس الولايات المتحدة الأمريكية، مضخات حراريةفي الدول الأوروبية تعمل بشكل رئيسي في وضع التدفئة. في الولايات المتحدة الأمريكية مضخات حراريةيتم استخدامها غالبًا في أنظمة تسخين الهواء جنبًا إلى جنب مع التهوية، مما يسمح بتسخين وتبريد الهواء الخارجي. في الدول الأوروبية مضخات حراريةتستخدم عادة في أنظمة تسخين المياه. بسبب ال كفاءة المضخة الحراريةيزداد مع انخفاض الفرق في درجة الحرارة بين المبخر والمكثف، وغالبًا ما تستخدم أنظمة التدفئة الأرضية لتدفئة المباني، حيث يدور المبرد عند درجة حرارة منخفضة نسبيًا (35-40 درجة مئوية).

غالبية مضخات حراريةفي أوروبا، تم تصميمها لاستخدام حرارة منخفضة من الأرض، وهي مجهزة بضواغط تعمل بالكهرباء.

على مدى السنوات العشر الماضية، زاد عدد الأنظمة التي تستخدم حرارة منخفضة من الأرض لتدفئة وتبريد المباني من خلالها مضخات حرارية، وقد زاد بشكل ملحوظ. يتم استخدام أكبر عدد من هذه الأنظمة في الولايات المتحدة الأمريكية. ويعمل عدد كبير من هذه الأنظمة في كندا ودول وسط وشمال أوروبا: النمسا وألمانيا والسويد وسويسرا. تتصدر سويسرا من حيث استخدام الطاقة الحرارية الأرضية المنخفضة للفرد. في روسيا، على مدى السنوات العشر الماضية، تم بناء عدد قليل فقط من الكائنات باستخدام التكنولوجيا وبمشاركة OJSC INSOLAR-INVEST، المتخصصة في هذا المجال، والتي يتم تقديم أكثرها إثارة للاهتمام.

في موسكو، في منطقة نيكولينو -2 الصغيرة، تم بناؤه بالفعل لأول مرة نظام إمداد الماء الساخن بمضخة حراريةمبنى سكني متعدد الطوابق. تم تنفيذ هذا المشروع في الفترة 1998-2002 من قبل وزارة الدفاع في الاتحاد الروسي بالتعاون مع حكومة موسكو، ووزارة الصناعة والعلوم في روسيا، ورابطة NP "ABOK" وفي إطار "برنامج توفير الطاقة طويل المدى في موسكو".

تستخدم حرارة التربة في الطبقات السطحية للأرض وكذلك حرارة هواء التهوية المزال كمصدر منخفض الإمكانات للطاقة الحرارية لمبخرات المضخات الحرارية. يقع تركيب إعداد إمدادات المياه الساخنة في الطابق السفلي من المبنى. ويتضمن العناصر الرئيسية التالية:

• وحدات المضخات الحرارية لضغط البخار (HPU)؛
• صهاريج تخزين الماء الساخن؛
• أنظمة لجمع الطاقة الحرارية المنخفضة الجودة للتربة والحرارة المنخفضة الجودة لهواء التهوية المزال؛
• مضخات الدورة الدموية ومعدات التحكم والقياس

عنصر التبادل الحراري الرئيسي لنظام تجميع الحرارة الأرضية منخفض الدرجة هو مبادلات حرارية أرضية عمودية من النوع المحوري تقع بالخارج على طول محيط المبنى. تتكون هذه المبادلات الحرارية من 8 آبار، يتراوح عمق كل منها من 32 إلى 35 مترًا، وتقع بالقرب من المنزل. منذ وضع التشغيل للمضخات الحرارية باستخدام دفء الأرضوحرارة الهواء المزال ثابتة، واستهلاك الماء الساخن متغير، ونظام إمداد الماء الساخن مجهز بخزانات تخزين.

ترد في الجدول البيانات التي تقيم المستوى العالمي لاستخدام الطاقة الحرارية المنخفضة للأرض من خلال المضخات الحرارية.

الجدول 1. المستوى العالمي لاستخدام الطاقة الحرارية المنخفضة للأرض من خلال المضخات الحرارية

التربة كمصدر للطاقة الحرارية ذات الإمكانات المنخفضة

يمكن استخدام المياه الجوفية ذات درجة الحرارة المنخفضة نسبياً أو التربة من الطبقات السطحية (حتى عمق 400 متر) من الأرض كمصدر للطاقة الحرارية ذات الإمكانات المنخفضة. المحتوى الحراري لكتلة التربة أعلى بشكل عام. يتشكل النظام الحراري للتربة في الطبقات السطحية للأرض تحت تأثير عاملين رئيسيين هما الإشعاع الشمسي الساقط على السطح وتدفق الحرارة الإشعاعية من باطن الأرض. التغيرات الموسمية واليومية في شدة الإشعاع الشمسي ودرجة حرارة الهواء الخارجي تسبب تقلبات في درجة حرارة الطبقات العليا من التربة. يتراوح عمق اختراق التقلبات اليومية في درجة حرارة الهواء الخارجي وشدة الإشعاع الشمسي الساقط، اعتمادًا على التربة والظروف المناخية المحددة، من عدة عشرات من السنتيمترات إلى متر ونصف. لا يتجاوز عمق تغلغل التقلبات الموسمية في درجة حرارة الهواء الخارجي وشدة الإشعاع الشمسي الوارد، كقاعدة عامة، 15-20 مترًا.

يتشكل نظام درجة حرارة طبقات التربة الواقعة تحت هذا العمق ("المنطقة المحايدة") تحت تأثير الطاقة الحرارية القادمة من أحشاء الأرض وهو مستقل عمليا عن التغيرات الموسمية، وحتى أكثر من التغيرات اليومية في معلمات البيئة الخارجية المناخ (الشكل 1).

أرز. 1. رسم بياني للتغيرات في درجة حرارة التربة حسب العمق

ومع زيادة العمق، تزداد درجة حرارة الأرض وفقًا للتدرج الحراري الأرضي (حوالي 3 درجات مئوية لكل 100 متر). يختلف حجم تدفق الحرارة الإشعاعية القادمة من باطن الأرض باختلاف المناطق. بالنسبة لأوروبا الوسطى، تبلغ هذه القيمة 0.05-0.12 واط/م2.

خلال فترة التشغيل، تقع كتلة التربة داخل منطقة التأثير الحراري لسجل أنابيب المبادل الحراري للتربة لنظام تجميع حرارة التربة منخفض الإمكانات (نظام تجميع الحرارة)، بسبب التغيرات الموسمية في معلمات الهواء الخارجي المناخ، وكذلك تحت تأثير الأحمال التشغيلية على نظام تجميع الحرارة، عادة ما يخضع للتجميد المتكرر وإزالة الجليد. في هذه الحالة، بطبيعة الحال، هناك تغير في الحالة الإجمالية للرطوبة الموجودة في مسام التربة، وبشكل عام، في كل من المراحل السائلة والصلبة والغازية في وقت واحد. وبعبارة أخرى، فإن كتلة التربة لنظام جمع الحرارة، بغض النظر عن حالتها (مجمدة أو مذابة)، هي نظام معقد غير متجانس متعدد التشتت ثلاثي الطور، يتكون هيكله العظمي من عدد كبير من الجزيئات الصلبة من أشكال وأحجام مختلفة ويمكن أن تكون صلبة أو متحركة، اعتمادًا على ما إذا كانت الجزيئات مرتبطة ببعضها البعض بإحكام أو ما إذا كانت مفصولة عن بعضها البعض بواسطة مادة في الطور المتحرك. يمكن ملء الفراغات بين الجزيئات الصلبة بالرطوبة المعدنية أو الغاز أو البخار أو الجليد أو كليهما. تعد نمذجة عمليات نقل الحرارة والكتلة التي تشكل النظام الحراري لمثل هذا النظام متعدد المكونات مهمة معقدة للغاية، لأنها تتطلب الأخذ في الاعتبار والوصف الرياضي للآليات المختلفة لتنفيذها: التوصيل الحراري في جسيم فردي، ونقل الحرارة من من جسيم إلى آخر عند ملامستها، والتوصيل الحراري الجزيئي في الوسط الذي يملأ الفجوات بين الجزيئات، والحمل الحراري للبخار والرطوبة الموجودة في مساحة المسام، وغيرها الكثير.

وينبغي إيلاء اهتمام خاص لتأثير رطوبة كتلة التربة وهجرة الرطوبة في مسامها على العمليات الحرارية التي تحدد خصائص التربة كمصدر للطاقة الحرارية ذات الإمكانات المنخفضة.

في الأنظمة المسامية الشعرية، مثل كتلة التربة لنظام تجميع الحرارة، فإن وجود الرطوبة في مساحة المسام له تأثير ملحوظ على عملية انتشار الحرارة. إن الأخذ في الاعتبار الصحيح لهذا التأثير اليوم يرتبط بصعوبات كبيرة، والتي ترتبط في المقام الأول بعدم وجود أفكار واضحة حول طبيعة توزيع مراحل الرطوبة الصلبة والسائلة والغازية في هيكل معين للنظام. طبيعة قوى الترابط بين الرطوبة وجزيئات الهيكل العظمي واعتماد أشكال الترابط بين الرطوبة والمادة عليها مراحل مختلفةالترطيب، وهي آلية حركة الرطوبة في مساحة المسام.

إذا كان هناك تدرج في درجة الحرارة في سمك كتلة التربة، فإن جزيئات البخار تتحرك إلى أماكن ذات درجة حرارة منخفضة، ولكن في الوقت نفسه، تحت تأثير قوى الجاذبية، يحدث تدفق معاكس للرطوبة في الطور السائل. بالإضافة إلى ذلك، يتأثر نظام درجة حرارة الطبقات العليا من التربة برطوبة هطول الأمطار في الغلاف الجوي، وكذلك المياه الجوفية.

العوامل الرئيسية تحت تأثيرها تتشكل نظام درجة الحرارةيظهر الشكل 1 أنظمة الكتلة الصخرية للتربة لتجميع حرارة التربة ذات الإمكانات المنخفضة. 2.

أرز. 2. العوامل التي يتشكل تحت تأثيرها نظام درجة حرارة التربة

أنواع أنظمة استخدام الطاقة الحرارية المنخفضة للأرض

يتم توصيل المبادلات الحرارية الأرضية معدات المضخات الحراريةمع كتلة التربة. بالإضافة إلى "استخراج" حرارة الأرض، يمكن أيضًا استخدام المبادلات الحرارية الأرضية لتجميع الحرارة (أو البرودة) في كتلة التربة.

وبشكل عام يمكن التمييز بين نوعين من أنظمة استخدام الطاقة الحرارية للأرض ذات الإمكانات المنخفضة::

• الأنظمة المفتوحة:وتستخدم المياه الجوفية التي يتم توفيرها مباشرة للمضخات الحرارية كمصدر للطاقة الحرارية المنخفضة الجودة؛
• الأنظمة المغلقة:توجد المبادلات الحرارية في كتلة التربة. عندما يدور من خلالها سائل تبريد ذو درجة حرارة أقل بالنسبة للأرض، يتم "اختيار" الطاقة الحرارية من الأرض ونقلها إلى المبخر مضخة الحرارة(أو عند استخدام مبرد ذي درجة حرارة أعلى بالنسبة للأرض، تبريده).

الجزء الرئيسي من الأنظمة المفتوحة هو الآبار، مما يجعل من الممكن استخراج المياه الجوفية من طبقات المياه الجوفية وإعادة المياه إلى نفس طبقات المياه الجوفية. عادة يتم تركيب الآبار المقترنة لهذا الغرض. يظهر الرسم التخطيطي لمثل هذا النظام في الشكل. 3.

أرز. 3. مخطط نظام مفتوح لاستخدام الطاقة الحرارية ذات الإمكانات المنخفضة للمياه الجوفية

وميزة الأنظمة المفتوحة هي القدرة على الحصول على كميات كبيرة من الطاقة الحرارية بتكاليف منخفضة نسبيا. ومع ذلك، الآبار تتطلب الصيانة. وبالإضافة إلى ذلك، فإن استخدام مثل هذه الأنظمة غير ممكن في جميع المجالات. المتطلبات الرئيسية للتربة والمياه الجوفية هي كما يلي:

• نفاذية كافية للتربة، مما يسمح بتجديد إمدادات المياه؛
• كيمياء المياه الجوفية الجيدة (على سبيل المثال، محتوى الحديد المنخفض) لتجنب مشاكل مقياس الأنابيب والتآكل.

تُستخدم الأنظمة المفتوحة في أغلب الأحيان لتوفير التدفئة أو التبريد للمباني الكبيرة. أكبر نظام للمضخات الحرارية الأرضية في العالمتستخدم المياه الجوفية كمصدر للطاقة الحرارية منخفضة الجودة. يقع هذا النظام في الولايات المتحدة الأمريكية في لويزفيل بولاية كنتاكي. يتم استخدام النظام لتوفير الحرارة والبرودة لمجمع المكاتب الفندقية. قوتها حوالي 10 ميجاوات.

في بعض الأحيان تشتمل الأنظمة التي تستخدم حرارة الأرض أيضًا على أنظمة تستخدم حرارة منخفضة الدرجة من المسطحات المائية المفتوحة، الطبيعية والاصطناعية. وقد تم اعتماد هذا النهج، على وجه الخصوص، في الولايات المتحدة الأمريكية. يتم تصنيف الأنظمة التي تستخدم حرارة منخفضة من الخزانات على أنها مفتوحة، وكذلك الأنظمة التي تستخدم حرارة منخفضة من المياه الجوفية.

وتنقسم الأنظمة المغلقة بدورها إلى أفقية ورأسية.

مبادل حراري أرضي أفقي(في الأدب الإنجليزي، يتم استخدام المصطلحين "مجمع الحرارة الأرضية" و "الحلقة الأفقية" أيضًا) وعادةً ما يتم تثبيته بجوار المنزل على عمق ضحل (ولكن أقل من مستوى تجميد التربة في الشتاء). يقتصر استخدام المبادلات الحرارية الأرضية الأفقية على حجم الموقع المتاح.

في بلدان أوروبا الغربية والوسطى، عادة ما تكون المبادلات الحرارية الأرضية الأفقية عبارة عن أنابيب فردية، يتم وضعها بإحكام نسبيًا ومتصلة ببعضها البعض في سلسلة أو بالتوازي (الشكل 4 أ، 4 ب). لتوفير المساحة، تم تطوير أنواع محسنة من المبادلات الحرارية، على سبيل المثال، المبادلات الحرارية على شكل حلزوني يقع أفقيًا أو رأسيًا (الشكل 4هـ، 4و). هذا النوع من المبادلات الحرارية شائع في الولايات المتحدة.

أرز. 4. أنواع المبادلات الحرارية الأرضية الأفقية
أ - مبادل حراري مصنوع من أنابيب متصلة بالسلسلة؛
ب – مبادل حراري مصنوع من أنابيب متصلة متوازية.
ج – المجمع الأفقي الموضوع في الخندق.
د – مبادل حراري على شكل حلقة.
د – مبادل حراري على شكل حلزوني يقع أفقياً (ما يسمى بالمجمع “السلنكي” ؛
هـ - مبادل حراري على شكل حلزوني يقع عموديا

إذا تم استخدام نظام يحتوي على مبادلات حرارية أفقية فقط لإنتاج الحرارة، فلن يكون تشغيله الطبيعي ممكنًا إلا إذا كان هناك مدخلات حرارية كافية من سطح الأرض بسبب الإشعاع الشمسي. ولهذا السبب، يجب أن يتعرض السطح فوق المبادلات الحرارية لأشعة الشمس.

مبادلات حرارية أرضية عمودية(في الأدب الإنجليزي يتم قبول التسمية "BHE" - "مبادل حراري للبئر") يسمح باستخدام الإمكانات المنخفضة طاقة حراريةكتلة التربة الواقعة تحت "المنطقة المحايدة" (10-20 مترًا من مستوى الأرض). الأنظمة ذات المبادلات الحرارية الأرضية العمودية لا تتطلب مساحات كبيرة ولا تعتمد على شدة الإشعاع الشمسي الساقط على السطح. تعمل المبادلات الحرارية الأرضية العمودية بفعالية في جميع أنواع الوسائط الجيولوجية تقريبًا، باستثناء التربة ذات الموصلية الحرارية المنخفضة، مثل الرمل الجاف أو الحصى الجاف. أصبحت الأنظمة ذات المبادلات الحرارية الأرضية العمودية منتشرة على نطاق واسع.

يظهر في الشكل مخطط التدفئة وإمدادات المياه الساخنة لمبنى سكني مكون من شقة واحدة باستخدام تركيب مضخة حرارية مع مبادل حراري أرضي عمودي. 5.

أرز. 5. مخطط التدفئة وإمدادات المياه الساخنة لمبنى سكني من شقة واحدة باستخدام تركيب مضخة حرارية مع مبادل حراري أرضي عمودي

يدور المبرد عبر الأنابيب (غالبًا البولي إيثيلين أو البولي بروبيلين) الموضوعة في آبار عمودية بعمق يتراوح من 50 إلى 200 متر، وعادةً ما يتم استخدام نوعين من المبادلات الحرارية الأرضية الرأسية (الشكل 6):

• مبادل حراري على شكل حرف U، يتكون من أنبوبين متوازيين متصلين في الأسفل. يوجد زوج أو زوجان (أقل من ثلاثة) من هذه الأنابيب في بئر واحد. ميزة هذا المخطط هي تكلفة التصنيع المنخفضة نسبيًا. المبادلات الحرارية المزدوجة U هي النوع الأكثر استخدامًا من المبادلات الحرارية الأرضية الرأسية في أوروبا.
• مبادل حراري متحد المركز (متحدة المركز). أبسط مبادل حراري محوري يتكون من أنبوبين بأقطار مختلفة. يوجد أنبوب ذو قطر أصغر داخل أنبوب آخر. يمكن أن تحتوي المبادلات الحرارية المحورية على تكوينات أكثر تعقيدًا.

أرز. 6. القسم أنواع مختلفةمبادلات حرارية أرضية عمودية

ولزيادة كفاءة المبادلات الحرارية، يتم ملء المساحة بين جدران البئر والأنابيب بمواد خاصة موصلة للحرارة.

يمكن استخدام الأنظمة ذات المبادلات الحرارية الأرضية العمودية لتوفير التدفئة والتبريد للمباني ذات الأحجام المختلفة. بالنسبة لمبنى صغير، يكفي مبادل حراري واحد؛ بالنسبة للمباني الكبيرة، قد يكون من الضروري تركيب مجموعة كاملة من الآبار بمبادلات حرارية رأسية. يتم استخدام أكبر عدد من الآبار في العالم في نظام التدفئة والتبريد في كلية ريتشارد ستوكتون بالولايات المتحدة الأمريكية في ولاية نيوجيرسي. وتوجد المبادلات الحرارية الأرضية العمودية لهذه الكلية في 400 بئر بعمق 130م في أوروبا أكبر عددتُستخدم الآبار (154 بئرًا بعمق 70 مترًا) في نظام إمداد التدفئة والتبريد للمكتب المركزي لمراقبة الحركة الجوية الألمانية ("Deutsche Flug-sicherung").

هناك حالة خاصة من الأنظمة العمودية المغلقة وهي استخدام هياكل البناء كمبادلات حرارية أرضية، على سبيل المثال أكوام الأساس مع خطوط الأنابيب المدمجة. يظهر الشكل المقطع العرضي لمثل هذه الكومة مع ثلاث دوائر لمبادل حراري أرضي. 7.

أرز. 7. رسم تخطيطي للمبادلات الحرارية الأرضية المدمجة في الركائز الأساسية للمبنى والمقطع العرضي لهذه الكومة

يمكن استخدام كتلة التربة (في حالة المبادلات الحرارية الأرضية الرأسية) وهياكل البناء ذات المبادلات الحرارية الأرضية ليس فقط كمصدر، ولكن أيضًا كمراكم طبيعي للطاقة الحرارية أو "الباردة"، على سبيل المثال، حرارة الشمس إشعاع.

هناك أنظمة لا يمكن تصنيفها بوضوح على أنها مفتوحة أو مغلقة. على سبيل المثال، نفس العمق (عمق من 100 إلى 450 م) المملوء بالماء يمكن أن يكون إنتاجًا وحقنًا. قطر البئر عادة يكون 15 سم، ويتم وضع مضخة في الجزء السفلي من البئر، يتم من خلالها إمداد المياه من البئر إلى مبخرات المضخة الحرارية. يعود الماء الراجع إلى أعلى عمود الماء في نفس البئر. ويتم تغذية البئر باستمرار بالمياه الجوفية، ويعمل النظام المفتوح كالنظام المغلق. تسمى الأنظمة من هذا النوع في الأدب الإنجليزي "نظام بئر العمود القائم" (الشكل 8).

أرز. 8. مخطط "بئر عمود قائم" من النوع الجيد

عادةً ما تُستخدم الآبار من هذا النوع أيضًا لتزويد المباني بمياه الشرب.. ومع ذلك، فإن مثل هذا النظام لا يمكن أن يعمل بفعالية إلا في التربة التي توفر إمدادات ثابتة من المياه إلى البئر، مما يمنعها من التجمد. إذا كانت طبقة المياه الجوفية عميقة للغاية، فستكون هناك حاجة إلى مضخة قوية للتشغيل الطبيعي للنظام، الأمر الذي يتطلب زيادة استهلاك الطاقة. يؤدي العمق الكبير للبئر إلى ارتفاع تكلفة هذه الأنظمة، لذلك لا يتم استخدامها لتوفير الحرارة والبرودة للمباني الصغيرة. يوجد حاليًا العديد من هذه الأنظمة العاملة في العالم في الولايات المتحدة الأمريكية وألمانيا وأوروبا.

ومن الاتجاهات الواعدة استخدام مياه المناجم والأنفاق كمصدر للطاقة الحرارية ذات الإمكانات المنخفضة. درجة حرارة هذه المياه ثابتة طوال العام. يمكن الوصول بسهولة إلى المياه من المناجم والأنفاق.

"استدامة" أنظمة استخدام الحرارة المنخفضة من الأرض

عند تشغيل مبادل حراري أرضي، قد تنشأ حالة عندما، أثناء موسم التدفئةتنخفض درجة حرارة التربة بالقرب من المبادل الحراري الأرضي، وفي الصيف ليس لدى التربة وقت للتدفئة إلى درجة الحرارة الأولية - تنخفض درجة حرارتها المحتملة. يؤدي استهلاك الطاقة خلال موسم التدفئة التالي إلى انخفاض درجة حرارة الأرض بشكل أكبر، كما تنخفض درجة حرارتها المحتملة بشكل أكبر. هذه القوى عند تصميم الأنظمة استخدام حرارة الأرض المنخفضةالنظر في مشكلة "استدامة" مثل هذه الأنظمة. غالبا ما يتم استخدام موارد الطاقة بشكل مكثف للغاية لتقليل فترة الاسترداد للمعدات، مما قد يؤدي إلى استنفادها السريع. ولذلك فمن الضروري الحفاظ على مستوى إنتاج الطاقة الذي يسمح باستغلال مصدر موارد الطاقة لفترة طويلة. وتسمى قدرة الأنظمة على الحفاظ على المستوى المطلوب من إنتاج الطاقة الحرارية على مدى فترة طويلة من الزمن "الاستدامة". للأنظمة التي تستخدم إمكانات منخفضة حرارة الارضيتم تقديم التعريف التالي للاستدامة: "لكل نظام لاستخدام حرارة الأرض المنخفضة ولكل طريقة تشغيل لهذا النظام، هناك مستوى أقصى معين لإنتاج الطاقة؛ ويمكن الحفاظ على إنتاج الطاقة تحت هذا المستوى لفترة طويلة (100-300 سنة)."

أجريت في الشركة المساهمة المساهمة "INSOLAR-INVEST"أظهرت الدراسات أن استهلاك الطاقة الحرارية من كتلة التربة في نهاية موسم التدفئة يتسبب في انخفاض درجة حرارة التربة بالقرب من سجل أنابيب نظام تجميع الحرارة، وهو ما يحدث في التربة والظروف المناخية لمعظم الأراضي ليس لدى روسيا الوقت الكافي للتعويض عنه في فترة الصيف من العام، وبحلول بداية موسم التدفئة التالي، تغادر التربة مع انخفاض درجة الحرارة المحتملة. يؤدي استهلاك الطاقة الحرارية خلال موسم التدفئة التالي إلى انخفاض إضافي في درجة حرارة التربة، ومع بداية موسم التدفئة الثالث، تختلف درجة حرارتها المحتملة أكثر عن الطبيعية. وما إلى ذلك وهلم جرا. ومع ذلك، فإن أغلفة التأثير الحراري للتشغيل طويل الأمد لنظام جمع الحرارة على نظام درجة الحرارة الطبيعية للتربة لها طابع أسي واضح، وبحلول السنة الخامسة من التشغيل، تصل التربة إلى نظام جديد قريب من الدوري، أي أنه بدءًا من السنة الخامسة للتشغيل، فإن الاستهلاك طويل المدى للطاقة الحرارية من أنظمة تجميع الحرارة الجماعية للتربة يكون مصحوبًا بتغيرات دورية في درجة حرارتها. وهكذا عند التصميم أنظمة تسخين المضخات الحراريةيبدو من الضروري أن نأخذ في الاعتبار انخفاض درجات حرارة كتلة التربة الناجم عن سنوات عديدة من تشغيل نظام جمع الحرارة، واستخدام درجات حرارة كتلة التربة المتوقعة للسنة الخامسة من تشغيل TST كمعلمات تصميم.

في الأنظمة المجمعة، يستخدم لكل من إمداد الحرارة والبرودة، يتم ضبط توازن الحرارة "تلقائيًا": في الشتاء (مطلوب مصدر حراري)، يتم تبريد كتلة التربة، في الصيف (مطلوب مصدر تبريد)، يتم تسخين كتلة التربة. في الأنظمة التي تستخدم الحرارة المنخفضة للمياه الجوفية، هناك تجديد مستمر لاحتياطيات المياه بسبب تسرب المياه من السطح والمياه القادمة من الطبقات العميقة للتربة. وبالتالي فإن المحتوى الحراري للمياه الجوفية يزيد سواء "من الأعلى" (بسبب حرارة الهواء الجوي) أو "من الأسفل" (بسبب حرارة الأرض)؛ تعتمد كمية الحرارة المدخلة "من الأعلى" و"من الأسفل" على سمك طبقة المياه الجوفية وعمقها. وبسبب هذه المدخلات الحرارية، تظل درجة حرارة المياه الجوفية ثابتة طوال الموسم وتتغير قليلاً أثناء التشغيل.

في الأنظمة ذات المبادلات الحرارية الأرضية العمودية، يكون الوضع مختلفًا.عند إزالة الحرارة، تنخفض درجة حرارة التربة حول المبادل الحراري الأرضي. يتأثر انخفاض درجة الحرارة بكل من ميزات تصميم المبادل الحراري ووضع التشغيل الخاص به. على سبيل المثال، في الأنظمة ذات القيم العالية لتبديد الطاقة الحرارية (عدة عشرات الواط لكل متر من طول المبادل الحراري) أو في الأنظمة ذات المبادل الحراري الأرضي الموجود في التربة ذات الموصلية الحرارية المنخفضة (على سبيل المثال، في الرمال الجافة أو الجافة الحصى)، سيكون انخفاض درجة الحرارة ملحوظًا بشكل خاص ويمكن أن يؤدي إلى تجميد كتلة التربة حول المبادل الحراري الأرضي.

قام خبراء ألمان بقياس درجة حرارة كتلة التربة التي تم فيها تركيب مبادل حراري أرضي عمودي بعمق 50 مترًا، يقع بالقرب من فرانكفورت أم ماين. وللقيام بذلك تم حفر 9 آبار بنفس العمق حول البئر الرئيسي على مسافة 2.5 و 5 و 10 م. وفي جميع الآبار العشرة، تم تركيب أجهزة استشعار كل 2 متر لقياس درجة الحرارة - أي ما مجموعه 240 جهاز استشعار. في التين. ويبين الشكل 9 مخططات توضح توزيع درجات الحرارة في كتلة التربة حول مبادل حراري أرضي عمودي في بداية ونهاية موسم التسخين الأول. في نهاية موسم التدفئة، من الواضح أن انخفاض في درجة حرارة كتلة التربة حول المبادل الحراري. يحدث تدفق حراري موجه إلى المبادل الحراري من كتلة التربة المحيطة، مما يعوض جزئيًا انخفاض درجة حرارة التربة الناجم عن "إزالة" الحرارة. ويقدر حجم هذا التدفق، مقارنة بحجم تدفق الحرارة من باطن الأرض في منطقة معينة (80-100 ميجاوات/متر مربع)، بأنه مرتفع جدًا (عدة واط لكل متر مربع).

أرز. 9. مخططات توزيع درجات الحرارة في كتلة التربة حول مبادل حراري أرضي عمودي في بداية ونهاية موسم التسخين الأول

منذ أن بدأت المبادلات الحرارية العمودية في الانتشار نسبيًا منذ حوالي 15 إلى 20 عامًا، هناك نقص في البيانات التجريبية في جميع أنحاء العالم التي تم الحصول عليها على مدى فترة طويلة (عدة عقود) من تشغيل الأنظمة ذات المبادلات الحرارية من هذا النوع. السؤال الذي يطرح نفسه هو مدى استقرار هذه الأنظمة وموثوقيتها على مدى فترات طويلة من التشغيل. هل تعتبر حرارة الأرض المنخفضة مصدرًا متجددًا للطاقة؟ ما هي مدة "التجديد" لهذا المصدر؟

عند تشغيل مدرسة ريفية في منطقة ياروسلافل، تم تجهيزها نظام المضخة الحراريةباستخدام مبادل حراري أرضي عمودي، كان متوسط ​​قيم إزالة الحرارة المحددة عند مستوى 120-190 واط / خطي. م طول المبادل الحراري.

منذ عام 1986، تم إجراء الأبحاث على نظام يحتوي على مبادلات حرارية أرضية رأسية في سويسرا بالقرب من زيوريخ. تم تركيب مبادل حراري أرضي متحد المحور عموديًا في كتلة التربة بعمق 105 مترًا، وقد تم استخدام هذا المبادل الحراري كمصدر للطاقة الحرارية منخفضة الجودة لنظام المضخات الحرارية المثبت في مبنى سكني مكون من شقة واحدة. يوفر المبادل الحراري الأرضي الرأسي طاقة قصوى تبلغ حوالي 70 واط لكل متر من الطول، مما يخلق حملًا حراريًا كبيرًا على الكتلة الأرضية المحيطة. ويبلغ إنتاج الطاقة الحرارية السنوي حوالي 13 ميجاوات في الساعة

وعلى مسافة 0.5 و 1 م من البئر الرئيسي، تم حفر بئرين إضافيين تم تركيب حساسات الحرارة فيهما على عمق 1، 2، 5، 10، 20، 35، 50، 65، 85 و 105 م، وبعد ذلك تم ملء الآبار بخليط الطين والأسمنت. تم قياس درجات الحرارة كل ثلاثين دقيقة. بالإضافة إلى درجة حرارة الأرض، تم تسجيل معلمات أخرى: سرعة سائل التبريد، واستهلاك الطاقة بواسطة محرك ضاغط المضخة الحرارية، ودرجة حرارة الهواء، وما إلى ذلك.

استمرت فترة المراقبة الأولى من عام 1986 إلى عام 1991. أظهرت القياسات أن تأثير حرارة الهواء الخارجي والإشعاع الشمسي يلاحظ في الطبقة السطحية من التربة على عمق يصل إلى 15م، وتحت هذا المستوى يتشكل النظام الحراري للتربة بشكل رئيسي بسبب الحرارة من باطن الأرض. خلال أول 2-3 سنوات من التشغيل درجة حرارة التربةانخفض محيط المبادل الحراري العمودي بشكل حاد، ولكن انخفاض درجة الحرارة انخفض كل عام، وبعد بضع سنوات وصل النظام إلى نظام قريب من الثابت، عندما أصبحت درجة حرارة كتلة التربة حول المبادل الحراري أقل بمقدار 1-2 درجة مئوية من درجة حرارة الأرض. نسخة أصلية واحدة.

وفي خريف عام 1996، بعد عشر سنوات من بدء تشغيل النظام، تم استئناف القياسات. وأظهرت هذه القياسات أن درجة حرارة الأرض لم تتغير بشكل كبير. وفي السنوات اللاحقة، تم تسجيل تقلبات طفيفة في درجة حرارة الأرض في حدود 0.5 درجة مئوية اعتمادًا على حمل التدفئة السنوي. وهكذا، وصل النظام إلى وضع شبه ثابت بعد السنوات القليلة الأولى من التشغيل.

استنادا إلى البيانات التجريبية، تم إنشاء نماذج رياضية للعمليات التي تحدث في كتلة التربة، مما جعل من الممكن تقديم توقعات طويلة المدى للتغيرات في درجة حرارة كتلة التربة.

أظهرت النمذجة الرياضية أن الانخفاض السنوي في درجة الحرارة سينخفض ​​تدريجياً، وأن حجم كتلة التربة حول المبادل الحراري، الخاضع لانخفاض درجة الحرارة، سيزداد كل عام. في نهاية فترة التشغيل، تبدأ عملية التجديد: تبدأ درجة حرارة التربة في الارتفاع. تشبه طبيعة عملية التجديد طبيعة عملية "اختيار" الحرارة: في السنوات الأولى من التشغيل هناك زيادة حادة في درجة حرارة التربة، وفي السنوات اللاحقة ينخفض ​​معدل الزيادة في درجة الحرارة. تعتمد مدة فترة "التجديد" على مدة فترة التشغيل. هاتين الفترتين متماثلتان تقريبًا. وفي الحالة قيد النظر، كانت مدة تشغيل المبادل الحراري الأرضي ثلاثين عاماً، كما تقدر فترة "التجديد" بثلاثين عاماً.

وبالتالي، فإن أنظمة التدفئة والتبريد للمباني التي تستخدم حرارة منخفضة من الأرض تمثل مصدرًا موثوقًا للطاقة يمكن استخدامه في كل مكان. يمكن استخدام هذا المصدر لفترة طويلة، ويمكن تجديده في نهاية فترة التشغيل.

الأدب

1. Rybach L. حالة وآفاق المضخات الحرارية الأرضية (GHP) في أوروبا والعالم؛ جوانب الاستدامة في GHPs. الدورة الدولية للمضخات الحرارية الأرضية 2002

2. فاسيليف جي بي، كرونديشيف إن إس. مدرسة ريفية موفرة للطاقة في منطقة ياروسلافل. أبوك رقم 5، 2002

3. سانر ب. مصادر الحرارة الأرضية للمضخات الحرارية (التصنيف، الخصائص، المزايا). 2002

4. Rybach L. حالة وآفاق المضخات الحرارية الأرضية (GHP) في أوروبا والعالم؛ جوانب الاستدامة في GHPs. الدورة الدولية للمضخات الحرارية الأرضية 2002

5. مجموعة عمل ORKUSTOFNUN، أيسلندا (2001): الإنتاج المستدام للطاقة الحرارية الأرضية – التعريف المقترح. أخبار IGA رقم. 43، يناير-مارس 2001، 1-2

6. Rybach L., Sanner B. أنظمة المضخات الحرارية من مصدر أرضي – التجربة الأوروبية. GeoHeat- مركز الثور. 21/1، 2000

7. توفير الطاقة باستخدام المضخات الحرارية السكنية في المناخات الباردة. كتيب ماكسي 08. كاديت، 1997

8. أتكينسون شيفر إل. تحليل المضخة الحرارية الممتصة للضغط المفرد. رسالة مقدمة إلى أعضاء هيئة التدريس . معهد جورجيا للتكنولوجيا، 2000

9. مورلي تي. المحرك الحراري العكسي كوسيلة لتدفئة المباني، المهندس 133: 1922

10. Fearon J. تاريخ وتطور المضخة الحرارية والتبريد وتكييف الهواء. 1978

11. فاسيليف جي.بي. المباني الموفرة للطاقة مع أنظمة التدفئة بالمضخات الحرارية. مجلة الإسكان والمرافق العامة، العدد 12، 2002

12. إرشادات لاستخدام المضخات الحرارية باستخدام مصادر الطاقة الثانوية ومصادر الطاقة المتجددة غير التقليدية. موسكومارخيتيكتورا. المؤسسة الحكومية الوحدوية "NIAC"، 2001

13. مبنى سكني موفر للطاقة في موسكو. أبوك رقم 4، 1999

14. فاسيليف جي.بي. مبنى سكني تجريبي موفر للطاقة في منطقة نيكولينو-2 الصغيرة. أبوك رقم 4، 2002

تتغير درجة حرارة التربة بشكل مستمر مع العمق والزمن. ويعتمد ذلك على عدد من العوامل، الكثير منها يصعب تفسيره. وتشمل الأخيرة، على سبيل المثال: طبيعة الغطاء النباتي، وتعرض المنحدر للنقاط الأساسية، والتظليل، والغطاء الثلجي، وطبيعة التربة نفسها، ووجود مياه فوق التربة الصقيعية، وما إلى ذلك. ومع ذلك، فإن درجة حرارة التربة ، سواء من حيث القيمة أو في طبيعة التوزيع، يظل ثابتًا إلى حد ما من سنة إلى أخرى، ويبقى التأثير الحاسم هنا مع درجة حرارة الهواء.

درجة حرارة التربة على أعماق مختلفةويمكن الحصول عليها في فترات مختلفة من السنة عن طريق القياسات المباشرة في الآبار الحرارية التي يتم تركيبها أثناء عملية المسح. لكن هذه الطريقة تتطلب ملاحظات طويلة المدى ونفقات كبيرة، وهو أمر ليس له ما يبرره دائمًا. يتم توزيع البيانات التي يتم الحصول عليها من بئر أو بئرين على مساحات وأطوال كبيرة، مما يشوه الواقع بشكل كبير بحيث تصبح البيانات المحسوبة حول درجة حرارة الأرض في كثير من الحالات أكثر موثوقية.

درجة حرارة التربة الصقيعيةعلى أي عمق (حتى 10 أمتار من السطح) ولأي فترة من السنة يمكن تحديدها بالصيغة:

ص = طن°، (3.7)

حيث z هو العمق المقاس من VGM، m؛

tr – درجة حرارة التربة في العمق z بالدرجات.

τr - الوقت يساوي سنة (8760 ساعة)؛

τ - الوقت المحسوب للأمام (حتى 1 يناير) من لحظة بداية تجميد التربة في الخريف إلى لحظة قياس درجة الحرارة بالساعات؛

exp x - الأس (الدالة الأسية exp مأخوذة من الجداول)؛

م – المعامل حسب الفترة من السنة (للفترة من أكتوبر إلى مايو م = 1.5-0.05z، وللفترة من يونيو إلى سبتمبر م = 1)

أكثر درجة حرارة منخفضةعند عمق معين سيكون عندما يصبح جيب التمام في الصيغة (3.7) مساوياً لـ -1، أي أن أدنى درجة حرارة للتربة لهذا العام عند عمق معين ستكون

tr دقيقة = (1.5-0.05z) طن°، (3.8)

ستكون درجة حرارة التربة القصوى عند العمق z عندما يأخذ جيب التمام القيمة يساوي واحدأولئك.

تي ماكس = تي°، (3.9)

في جميع الصيغ الثلاث، يجب حساب قيمة السعة الحرارية الحجمية C m لدرجة حرارة التربة t° باستخدام الصيغة (3.10).

ج 1 م = 1/وات، (3.10)

درجة حرارة التربة في طبقة الذوبان الموسميةيمكن أيضًا تحديده عن طريق الحساب، مع الأخذ في الاعتبار أن التغير في درجة الحرارة في هذه الطبقة يتم تقريبه بدقة تامة من خلال الاعتماد الخطي على تدرجات درجة الحرارة التالية (الجدول 3.1).

وبعد حساب باستخدام إحدى الصيغ (3.8) - (3.9) درجة حرارة التربة عند مستوى VGM، أي. وبوضع Z=0 في الصيغ، ثم باستخدام الجدول 3.1 نحدد درجة حرارة التربة عند عمق معين في طبقة الذوبان الموسمية. في الطبقات العليا من التربة، حتى ارتفاع 1 متر تقريبًا عن السطح، تكون طبيعة التقلبات في درجات الحرارة معقدة للغاية.

الجدول 3.1

التدرج الحراري في طبقة الذوبان الموسمية على عمق أقل من 1 متر من سطح الأرض

ملحوظة.تظهر علامة التدرج في الاتجاه نحو سطح النهار.

للحصول على درجة حرارة التربة المقدرة في طبقة متر من السطح، يمكنك المتابعة على النحو التالي. احسب درجة الحرارة على عمق 1 متر ودرجة حرارة سطح التربة أثناء النهار، ومن ثم، عن طريق الاستيفاء من هاتين القيمتين، حدد درجة الحرارة عند عمق معين.

يمكن قياس درجة الحرارة على سطح الأرض t p في موسم البرد من العام مساوية لدرجة حرارة الهواء. خلال الصيف:

ر ع = 2+1.15 ر ج، (3.11)

حيث t p هي درجة حرارة السطح بالدرجات.

ر - درجة حرارة الهواء بالدرجات.

درجة حرارة التربة في منطقة التربة الصقيعية غير المدمجة يتم حسابه بشكل مختلف عن الدمج. ومن الناحية العملية، يمكننا أن نفترض أن درجة الحرارة عند مستوى VGM ستكون 0 درجة مئوية على مدار العام. يمكن تحديد درجة الحرارة المحسوبة للتربة الصقيعية عند عمق معين عن طريق الاستيفاء، على افتراض أنها تتغير في العمق وفقًا لقانون خطي من t° على عمق 10 أمتار إلى 0 درجة مئوية على عمق VGM. يمكن قياس درجة الحرارة في الطبقة المذابة من 0.5 إلى 1.5 درجة مئوية.

في طبقة التجميد الموسمية h p يمكن حساب درجة حرارة الأرض بنفس الطريقة المستخدمة في طبقة الذوبان الموسمية لمنطقة التربة الصقيعية المندمجة، أي. في الطبقة h p – 1 m على طول التدرج الحراري (الجدول 3.1)، مع الأخذ في الاعتبار أن درجة الحرارة عند العمق h p تساوي 0 درجة مئوية في موسم البرد و1 درجة مئوية في الصيف. في الطبقة العليا من التربة، يتم تحديد درجة الحرارة عن طريق الاستيفاء بين درجة الحرارة على عمق 1 متر ودرجة الحرارة على السطح.