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

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

За да получите температурата на почвата на дадена дълбочина, можете да опитате, например, две прости начини. И двата метода включват използване на справочници:

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

маса 1

1. Таблица за температура на почвата за различни дълбочиниот източник „в помощ на работник от газовата промишленост“ от времето на СССР

Стандартни дълбочини на замръзване за някои градове:

Дълбочината на замръзване на почвата зависи от вида на почвата:

Мисля, че най-лесният вариант е да използвате горните референтни данни и след това да интерполирате.

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

Тук просто трябва да изберете населено място, тип почва и можете да получите карта на температурата на почвата или нейните данни в табличен вид. По принцип е удобно, но изглежда, че този ресурс е платен.

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

Може да се интересувате от следния материал:

Най-голямата трудност е да се избегне патогенната микрофлора. А това е трудно осъществимо във влагонаситена и достатъчно топла среда. Дори в най-добрите изби винаги има мухъл. Затова се нуждаем от система за редовно използвано почистване на тръбите от цялата гадост, която се натрупва по стените. И да направите това с 3-метрово полагане не е толкова лесно. Първото нещо, което идва на ум е механичен метод- четка. Относно почистването на комини. Използване на някакъв течен химикал. Или газ. Ако изпомпвате фосген през тръба, например, тогава всичко ще умре и това може да е достатъчно за няколко месеца. Но всеки газ влиза в химията. реагира с влагата в тръбата и съответно се утаява в нея, поради което отнема много време за вентилация. И дългосрочната вентилация ще доведе до възстановяване на патогените. Това изисква компетентен подход с познаване на съвременните почистващи препарати.

Като цяло се абонирам за всяка дума! (Наистина не знам на какво да се радвам тук).

В тази система виждам няколко проблема, които трябва да бъдат разрешени:

1. Достатъчна ли е дължината на този топлообменник за ефективното му използване (явно ще има ефект, но не е ясно какъв)
2. Кондензация. През зимата няма да съществува, тъй като през тръбата ще се изпомпва студен въздух. Кондензът ще падне от външната страна на тръбата - в земята (по-топло е). Но през лятото... Проблемът е КАК да изпомпвам конденза от дълбочина 3 м - вече се сетих да направя херметизиран кладенец откъм страната за събиране на конденза, за да събира конденза. Инсталирайте помпа в него, която периодично ще изпомпва конденз...
3. Предполага се, че канализационните тръби (пластмасови) са уплътнени. Ако е така, тогава подземните води наоколо не трябва да проникват и не трябва да влияят на влажността на въздуха. Затова смятам, че там няма да има влага (като в мазето). Поне през зимата. Мисля, че мазето е влажно поради лоша вентилация. Мухълът не обича слънчева светлина и течения (ще има течения в тръбата). И сега въпросът е - КОЛКО са стегнати канализационните тръби в земята? Колко години ще ми стигнат? Факт е, че този проект е свързан - изкопава се изкоп за канализация (ще бъде на дълбочина 1-1,2 м), след това изолация (експандиран полистирол) и по-дълбоко - земен акумулатор). Това означава, че тази система не може да бъде ремонтирана, ако се разхерметизира - няма да я изкопая - просто ще я покрия със земя и това е.
4. Почистване на тръби. Мислех да направя кладенец за гледане в най-ниската точка. Сега има по-малко "ентусиазъм" по този въпрос - подпочвените води - може да се окаже, че ще бъдат наводнени и няма да има НУЛА смисъл. Без кладенец няма много възможности:
А. правят се ревизии от двете страни (за всяка тръба 110мм), които достигат до повърхността и през тръбата се изтегля кабел от неръждаема стомана. За почистване прикрепяме към него квач. Недостатъци - куп тръби излизат на повърхността, което ще повлияе на температурата и хидродинамичните условия на батерията.
b. периодично наводнявайте тръбите с вода и белина, например (или друг дезинфектант), като изпомпвате вода от кондензационния кладенец в другия край на тръбите. След това изсушете тръбите с въздух (възможно е в пролетен режим - от къщата отвън, въпреки че тази идея не ми харесва много).
5. Няма да има мухъл (течение). но други микроорганизми, които живеят в напитките - много. Има надежда за зимния режим - студен сух въздух дезинфекцира добре. Опция за защита е филтър на изхода на батерията. Или ултравиолетово (скъпо)
6. Колко стресиращо е движението на въздух през такава конструкция?
Филтър (фина мрежа) на входа
-> завъртете на 90 градуса надолу
-> 4m 200mm тръба надолу
-> разделяне на потока на 4 тръби 110мм
-> 10 метра хоризонтално
-> завъртете на 90 градуса надолу
-> 1 метър надолу
-> завъртане на 90 градуса
-> 10 метра хоризонтално
-> събиране на потока в 200 mm тръба
-> 2 метра нагоре
-> завъртете на 90 градуса (към къщата)
-> джобен филтър от хартия или плат
-> вентилатор

Разполагаме с 25м тръби, 6 завъртания на 90 градуса (завоите могат да бъдат по-плавни - 2х45), 2 филтъра. Искам 300-400м3/ч. Скорост на потока ~4m/sec

В нашата страна, богата на въглеводороди, геотермалната енергия е вид екзотичен ресурс, който при сегашното състояние на нещата едва ли може да се конкурира с нефта и газа. Този алтернативен вид енергия обаче може да се използва почти навсякъде и то доста ефективно.

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

Температурата на горните слоеве на почвата зависи главно от външни (екзогенни) фактори - слънчева осветеност и температура на въздуха. През лятото и през деня почвата се затопля до определени дълбочини, а през зимата и през нощта се охлажда след промени в температурата на въздуха и с известно забавяне, което се увеличава с дълбочината. Влиянието на дневните колебания на температурата на въздуха завършва на дълбочини от няколко до няколко десетки сантиметра. Сезонните колебания засягат по-дълбоките слоеве на почвата - до десетки метри.

На известна дълбочина - от десетки до стотици метри - температурата на почвата остава постоянна, равна на средната годишна температура на въздуха на земната повърхност. Можете лесно да проверите това, като слезете в доста дълбока пещера.

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

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

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

Топлинният поток на земните недра, достигащ земната повърхност, е малък – средно неговата мощност е 0,03–0,05 W/m2, или приблизително 350 Wh/m2 годишно. На фона на топлинния поток от Слънцето и нагрятия от него въздух това е незабележима стойност: Слънцето дава на всеки квадратен метър от земната повърхност около 4000 kWh годишно, тоест 10 000 пъти повече (разбира се, това е средно, с огромно разпространение между полярните и екваториалните ширини и в зависимост от други климатични и метеорологични фактори).

Незначителният топлинен поток от вътрешността към повърхността в по-голямата част от планетата се свързва с ниската топлопроводимост на скалите и особеностите на геоложката структура. Но има изключения - места, където топлинният поток е висок. Това са преди всичко зони на тектонични разломи, повишена сеизмична активност и вулканизъм, където енергията на земните недра намира изход. Такива зони се характеризират с топлинни аномалии на литосферата; тук топлинният поток, достигащ земната повърхност, може да бъде няколко пъти и дори порядъци по-мощен от „обикновения“. Вулканичните изригвания и горещите извори извеждат огромни количества топлина на повърхността в тези зони.

Това са районите, които са най-благоприятни за развитие на геотермална енергия. На територията на Русия това са преди всичко Камчатка, Курилските острови и Кавказ.

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

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

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

Колкото по-висок е градиентът и съответно колкото по-нисък е етапът, толкова по-близо до повърхността идва топлината на земните дълбини и толкова по-обещаваща е тази област за развитие на геотермална енергия.

В различните области, в зависимост от геоложката структура и други регионални и местни условия, скоростта на повишаване на температурата с дълбочина може да варира драстично. В земен мащаб флуктуациите в величините на геотермалните градиенти и стъпки достигат 25 пъти. Например в Орегон (САЩ) градиентът е 150°C на 1 км, а в Южна Африка- 6°C на 1 км.

Въпросът е каква е температурата на голяма дълбочина - 5, 10 км или повече? Ако тенденцията се запази, температурите на дълбочина от 10 km трябва да бъдат средно приблизително 250–300°C. Това повече или по-малко се потвърждава от директни наблюдения в свръхдълбоки кладенци, въпреки че картината е много по-сложна от линейно повишаване на температурата.

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

Друг пример е сондаж в района на Северен Каспий, където на дълбочина 500 m е регистрирана температура 42°C, на 1,5 km - 70°C, на 2 km - 80°C, на 3 km - 108°C .

Предполага се, че геотермалния градиент намалява, започвайки от дълбочина 20–30 km: на дълбочина 100 km очакваните температури са около 1300–1500°C, на дълбочина 400 km - 1600°C, в земната ядро (дълбочини над 6000 km) - 4000–5000 ° C.

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

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

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

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

Топлината на подземните води, парата, пароводните смеси е хидротермална енергия. Съответно енергията, базирана на нейното използване, се нарича хидротермална.

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

На територията на Русия потенциалът на нефтотермалната енергия е сто пъти по-висок от този на хидротермалната енергия - съответно 3500 и 35 трилиона тона. стандартно гориво. Това е съвсем естествено - топлината на дълбините на Земята е достъпна навсякъде, а термалните води се срещат локално. Въпреки това, поради очевидни технически трудности, термалните води в момента се използват предимно за производство на топлина и електричество.

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

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

Теоретично само поради геотермална енергияби било възможно да се задоволят напълно енергийните нужди на страната. Почти на този моментв по-голямата част от нейната територия това не е осъществимо по технически и икономически причини.

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

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

В Исландия над 60% от цялата консумирана енергия в момента идва от Земята. Геотермалните източници осигуряват 90% от отоплението и 30% от производството на електроенергия. Нека добавим, че останалата част от електроенергията в страната се произвежда от водноелектрически централи, тоест също използвайки възобновяем източник на енергия, което прави Исландия да изглежда като един вид световен екологичен стандарт.

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

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

Използването на геотермална енергия има много дълга история. Един от първите известни примери е Италия, място в провинция Тоскана, сега наречено Лардерело, където в началото на 19 век местни топли термални води, течащи естествено или извлечени от плитки кладенци, са били използвани за енергийни цели.

Тук е използвана вода от подземни източници, богата на бор борна киселина. Първоначално тази киселина се получавала чрез изпаряване в железни котли, а за гориво се използвало обикновено дърво от близките гори, но през 1827 г. Франческо Лардерел създал система, която работела върху топлината на самите води. В същото време енергията на естествената водна пара започва да се използва за работа на сондажни платформи, а в началото на 20 век - за отопление на местни къщи и оранжерии. Там, в Лардерело, през 1904 г. термалната водна пара се превръща в източник на енергия за генериране на електричество.

Примерът на Италия е последван от няколко други страни в края на 19-ти и началото на 20-ти век. Така например през 1892 г. термалните води за първи път са използвани за локално отопление в САЩ (Бойсе, Айдахо), през 1919 г. в Япония, а през 1928 г. в Исландия.

В САЩ първата електроцентрала, работеща с хидротермална енергия, се появява в Калифорния в началото на 30-те години на миналия век, в Нова Зеландия - през 1958 г., в Мексико - през 1959 г., в Русия (първата в света двоична GeoPP) - през 1965 г.

Стар принцип върху нов източник

Производството на електроенергия изисква повече висока температурахидроизточник отколкото за отопление - повече от 150°C. Принципът на работа на геотермалната електроцентрала (GeoPP) е подобен на принципа на работа на конвенционалната топлоелектрическа централа (CHP). Всъщност геотермалната електроцентрала е вид топлоелектрическа централа.

В топлоелектрическите централи основният енергиен източник обикновено са въглища, газ или мазут, а работният флуид е водна пара. Горивото, когато се изгаря, загрява водата до състояние на пара, която се върти въздушна турбина, и генерира електричество.

Разликата между GeoPP е, че основният източник на енергия тук е топлината на земните недра, а работният флуид под формата на пара се подава към турбинните лопатки на електрическия генератор в „готов” вид директно от производствения кладенец. .

Има три основни работни схеми за GeoPPs: директна, използваща суха (геотермална) пара; косвени, базирани на хидротермална вода, и смесени, или бинарни.

Използването на една или друга схема зависи от състоянието на агрегация и температурата на енергийния носител.

Най-простата и следователно първата от усвоените схеми е директна, при която парата, идваща от кладенеца, преминава директно през турбината. Първата в света геоелектрическа централа в Лардерело през 1904 г. също работи на суха пара.

GeoPP с индиректна схема на работа са най-често срещаните в наше време. Те използват гореща подземна вода, която се изпомпва под високо налягане в изпарител, където част от нея се изпарява, а получената пара върти турбина. В някои случаи са необходими допълнителни устройства и вериги за пречистване на геотермална вода и пара от агресивни съединения.

Отработената пара влиза в инжекционния кладенец или се използва за отопление на помещенията - в този случай принципът е същият като при работа на топлоелектрическа централа.

При бинарните GeoPP горещата термална вода взаимодейства с друга течност, която изпълнява функциите на работен флуид с по-ниска точка на кипене. И двата флуида преминават през топлообменник, където термалната вода изпарява работната течност, чиито пари въртят турбината.

Тази система е затворена, което решава проблема с емисиите в атмосферата. В допълнение, работните течности с относително ниска точка на кипене позволяват използването на не много горещи термални води като основен източник на енергия.

И трите схеми използват хидротермален източник, но нефтотермалната енергия може да се използва и за генериране на електричество.

Схемата на веригата в този случай също е доста проста. Необходимо е да се пробият два взаимосвързани сондажа - нагнетателен и добивен. Водата се изпомпва в инжекционния кладенец. На дълбочина се нагрява, след което нагрятата вода или пара, образувана в резултат на силно нагряване, се подава на повърхността през производствения кладенец. След това всичко зависи от това как се използва нефтотермалната енергия - за отопление или за производство на електроенергия. Възможен е затворен цикъл с изпомпване на отпадъчна пара и вода обратно в инжекционния кладенец или друг метод за обезвреждане.

Недостатъкът на такава система е очевиден: за да се получи достатъчно висока температура на работния флуид, е необходимо да се пробият кладенци на голяма дълбочина. И това са сериозни разходи и риск от значителни загуби на топлина, когато течността се движи нагоре. Следователно петротермалните системи са все още по-малко разпространени в сравнение с хидротермалните, въпреки че потенциалът на петротермалната енергия е с порядъци по-висок.

В момента лидер в създаването на така наречените петротермални циркулационни системи (PCS) е Австралия. В допълнение, тази област на геотермална енергия се развива активно в САЩ, Швейцария, Великобритания и Япония.

Подарък от лорд Келвин

Изобретяването на термопомпата през 1852 г. от физика Уилям Томпсън (известен още като лорд Келвин) предостави на човечеството реална възможност да използва ниската топлина на горните слоеве на почвата. Термопомпената система, или както я нарече Томпсън, топлинен умножител, се базира на физически процеспренос на топлина от заобикаляща средакъм хладилния агент. По същество той използва същия принцип като петротермалните системи. Разликата е в източника на топлина, което може да повдигне терминологичен въпрос: до каква степен термопомпата може да се счита за геотермална система? Факт е, че в горните слоеве, на дълбочина от десетки до стотици метри, скалите и съдържащите се в тях течности се нагряват не от дълбоката топлина на земята, а от слънцето. По този начин слънцето в този случай е основният източник на топлина, въпреки че тя се взема, както при геотермалните системи, от земята.

Работата на термопомпата се основава на забавянето на нагряването и охлаждането на почвата в сравнение с атмосферата, което води до образуването на температурен градиент между повърхността и по-дълбоките слоеве, които задържат топлината дори през зимата, точно както се случва в резервоарите . Основната цел на термопомпите е отоплението на помещенията. По същество това е „обърнат хладилник“. Както термопомпата, така и хладилникът взаимодействат с три компонента: вътрешната среда (в първия случай - отопляема стая, във втория - охладената камера на хладилника), външната среда - източник на енергия и хладилен агент (хладилен агент) , който също е охлаждаща течност, която осигурява пренос на топлина или студ.

Вещество с ниска точка на кипене действа като хладилен агент, което му позволява да отнема топлина от източник, който има дори относително ниска температура.

В хладилника течният хладилен агент преминава през дросел (регулатор на налягането) в изпарителя, където поради рязко намаляване на налягането течността се изпарява. Изпарението е ендотермичен процес, изискващ абсорбиране на топлина отвън. В резултат на това се отделя топлина от вътрешните стени на изпарителя, което осигурява охлаждащ ефект в камерата на хладилника. След това хладилният агент се изтегля от изпарителя в компресора, където се връща в течно състояние. Това обратен процес, което води до отделяне на отнетата топлина във външната среда. По правило се хвърля на закрито и задна стенахладилникът е сравнително топъл.

Термопомпата работи почти по същия начин, с тази разлика, че топлината се взема от външната среда и през изпарителя постъпва във вътрешната среда - системата за отопление на помещението.

В истинската термопомпа водата се нагрява чрез преминаване през външен кръг, поставен в земята или резервоар, и след това влиза в изпарителя.

В изпарителя топлината се прехвърля към вътрешна верига, пълна с хладилен агент с ниска точка на кипене, който, преминавайки през изпарителя, преминава от течно в газообразно състояние, отнемайки топлина.

След това газообразният хладилен агент влиза в компресора, където се компресира до високо налягане и температура, и навлиза в кондензатора, където се извършва топлообмен между горещия газ и охлаждащата течност от отоплителната система.

Компресорът изисква електричество, за да работи, но коефициентът на трансформация (съотношението на консумираната и генерираната енергия) в модерни системидостатъчно високо, за да гарантира тяхната ефективност.

В момента термопомпите се използват доста широко за отопление на помещения, главно в икономическото развити страни.

Еко-правилна енергия

Геотермалната енергия се счита за екологична, което като цяло е вярно. На първо място, той използва възобновяем и практически неизчерпаем ресурс. Геотермалната енергия не изисква големи площи, за разлика от големите водноелектрически централи или вятърни паркове, и не замърсява атмосферата, за разлика от въглеводородната енергия. Средно GeoPP заема 400 m 2 по отношение на 1 GW генерирана електроенергия. Същата цифра за ТЕЦ на въглища например е 3600 m2. Екологичните предимства на GeoPPs включват и ниска консумация на вода - 20 литра прясна вода на 1 kW, докато топлоелектрическите и атомните електроцентрали изискват около 1000 литра. Имайте предвид, че това са екологичните показатели на „средния“ GeoPP.

Но все още има отрицателни странични ефекти. Сред тях най-често се идентифицират шумът, топлинното замърсяване на атмосферата и химическото замърсяване на водата и почвата, както и образуването на твърди отпадъци.

Основният източник на химическо замърсяване на околната среда е самата термална вода (с висока температура и минерализация), често съдържаща големи количестватоксични съединения и следователно има проблем с изхвърлянето на отпадъчни води и опасни вещества.

Отрицателните ефекти от геотермалната енергия могат да бъдат проследени на няколко етапа, като се започне от пробиването на кладенци. Тук възникват същите опасности, както при пробиването на всеки кладенец: унищожаване на почвата и растителната покривка, замърсяване на почвата и подземните води.

На етапа на експлоатация на GeoPP остават проблемите със замърсяването на околната среда. Топлинните течности - вода и пара - обикновено съдържат въглероден диоксид (CO 2), серен сулфид (H 2 S), амоняк (NH 3), метан (CH 4), готварска сол (NaCl), бор (B), арсен (As ), живак (Hg). При изпускане във външната среда те стават източници на замърсяване. В допълнение, агресивната химическа среда може да причини корозивно разрушаване на структурите на геотермалната електроцентрала.

В същото време емисиите на замърсители от GeoPPs са средно по-ниски, отколкото от топлоелектрическите централи. Например емисиите въглероден двуокисза всеки киловатчас произведена електроенергия е до 380 g в GeoPP, 1042 g в топлоелектрически централи, работещи с въглища, 906 g в електроцентрали, работещи с петрол, и 453 g в топлоелектрически централи, работещи с газ.

Възниква въпросът: какво да правим с отпадъчните води? Ако минерализацията е ниска, може да се изхвърли в повърхностните води след охлаждане. Друг начин е да се изпомпва обратно във водоносния хоризонт чрез инжекционен кладенец, който се използва за предпочитане и предимно в момента.

Добивът на термална вода от водоносни хоризонти (както и изпомпването на обикновена вода) може да причини слягане и движения на почвата, други деформации на геоложки слоеве и микроземетресения. Вероятността от подобни събития обаче обикновено е ниска отделни случаизаписани (например в GeoPP в Staufen im Breisgau в Германия).

Трябва да се подчертае, че повечето GeoPP са разположени в сравнително слабо населени райони и в страни от третия свят, където екологичните изисквания са по-малко строги, отколкото в развитите страни. Освен това в момента броят на GeoPPs и техният капацитет са относително малки. С по-мащабното развитие на геотермалната енергия рисковете за околната среда могат да се увеличат и умножат.

Колко е енергията на Земята?

Инвестиционните разходи за изграждане на геотермални системи варират в много широк диапазон - от 200 до 5000 долара за 1 kW инсталирана мощност, тоест най-евтините варианти са сравними с разходите за изграждане на топлоелектрическа централа. Те зависят преди всичко от условията на възникване на термалните води, техния състав и дизайна на системата. Сондирането на големи дълбочини, създаването на затворена система с два кладенеца и необходимостта от пречистване на водата могат да оскъпят многократно.

Например, инвестициите в създаването на петротермална циркулационна система (PCS) се оценяват на 1,6–4 хиляди долара за 1 kW инсталирана мощност, което надвишава разходите за изграждане на атомна електроцентрала и е сравнимо с разходите за изграждане на вятърни и слънчеви електроцентрали.

Очевидното икономическо предимство на GeoTES е безплатната енергия. За сравнение, в структурата на разходите на действаща топлоелектрическа централа или атомна електроцентрала горивото представлява 50–80% или дори повече, в зависимост от текущите цени на енергията. Оттук следва още едно предимство на геотермалната система: експлоатационните разходи са по-стабилни и предсказуеми, тъй като не зависят от външните условия на цената на енергията. Като цяло експлоатационните разходи на геотермалните електроцентрали се оценяват на 2–10 цента (60 копейки–3 рубли) за 1 kWh произведена електроенергия.

Втората по големина разходна позиция след енергията (и много значима) е, като правило, заплатаперсонал на завода, който може да варира драстично в различните държави и региони.

Средно цената на 1 kWh геотермална енергия е сравнима с тази за топлоелектрическите централи (в руски условия - около 1 рубла/1 kWh) и десет пъти по-висока от цената за производство на електроенергия във водноелектрическа централа (5–10 копейки/1 kWh ).

Част от причината за високата цена е, че за разлика от термалните и хидравличните електроцентрали, геотермалните електроцентрали имат относително малък капацитет. Освен това е необходимо да се сравняват системи, разположени в един и същ регион и при подобни условия. Например в Камчатка, според експерти, 1 kWh геотермална електроенергия струва 2-3 пъти по-малко от електроенергията, произведена в местните топлоелектрически централи.

Показателите за икономическата ефективност на една геотермална система зависят например от това дали отпадъчните води трябва да се обезвреждат и по какви начини това става и дали е възможно комбинирано използване на ресурса. Така, химически елементии съединенията, извлечени от термалната вода, могат да осигурят допълнителен доход. Нека си припомним примера с Лардерело: там химическото производство е основно, а използването на геотермална енергия първоначално е имало спомагателен характер.

Геотермална енергия напред

Геотермалната енергия се развива малко по-различно от вятъра и слънчевата енергия. Понастоящем зависи в много по-голяма степен от естеството на самия ресурс, което варира рязко в зависимост от региона, а най-високите концентрации са свързани с тесни зони на геотермални аномалии, обикновено свързани с области на тектонични разломи и вулканизъм.

Освен това геотермалната енергия е по-малко технологично интензивна в сравнение с вятърната и особено слънчевата енергия: системите на геотермалните станции са доста прости.

В общата структура на световното производство на електроенергия геотермалната компонента заема по-малко от 1%, но в някои региони и страни делът й достига 25–30%. Поради връзката с геоложките условия, значителна част от геотермалния енергиен капацитет е концентриран в страните от третия свят, където има три клъстера с най-голямо развитие на индустрията - островите на Югоизточна Азия, Централна Америка и Източна Африка. Първите два региона са включени в тихоокеанския „огнен пояс на Земята“, третият е свързан с източноафриканския рифт. Най-вероятно геотермалната енергия ще продължи да се развива в тези пояси. По-далечна перспектива е развитието на петротермална енергия, използваща топлината на слоевете на земята, разположени на дълбочина от няколко километра. Това е почти повсеместен ресурс, но добивът му изисква високи разходи, така че нефтотермалната енергия се развива предимно в най-икономически и технологично мощните страни.

Като цяло, предвид широкото разпространение на геотермалните ресурси и приемливото ниво на екологична безопасност, има основание да се смята, че геотермалната енергия има добри перспективи за развитие. Особено при нарастващата заплаха от недостиг на традиционните енергийни ресурси и растящите цени за тях.

От Камчатка до Кавказ

В Русия развитието на геотермалната енергия има доста дълга история и в редица позиции сме сред световните лидери, въпреки че делът на геотермалната енергия в общия енергиен баланс на огромната страна все още е незначителен.

Два региона са станали пионери и центрове за развитие на геотермалната енергия в Русия - Камчатка и Северен Кавказ, и ако в първия случай говорим предимно за електроенергетиката, то във втория - за използването на топлинна енергия от термална вода.

В Северен Кавказ - в Краснодарския край, Чечня, Дагестан - топлината на термалните води се използва за енергийни цели още преди Великата отечествена война. През 1980-1990 г. развитието на геотермалната енергия в региона по очевидни причини е в застой и все още не е излязло от състоянието на стагнация. Въпреки това геотермалното водоснабдяване в Северен Кавказ осигурява топлина на около 500 хиляди души, а например град Лабинск в Краснодарския край с население от 60 хиляди души се отоплява изцяло от геотермални води.

В Камчатка историята на геотермалната енергия е свързана преди всичко с изграждането на GeoPP. Първите от тях, все още работещите станции Паужецкая и Паратунка, са построени през 1965–1967 г., докато ГеоЕС Паратунка с мощност 600 kW стана първата станция в света с бинарен цикъл. Това е разработката на съветските учени С. С. Кутателадзе и А. М. Розенфелд от Института по топлофизика СО РАН, които през 1965 г. получават авторско свидетелство за извличане на електричество от вода с температура 70°C. Впоследствие тази технология се превърна в прототип за повече от 400 двоични GeoPP в света.

Капацитетът на Pauzetskaya GeoPP, въведен в експлоатация през 1966 г., първоначално е 5 MW и впоследствие е увеличен до 12 MW. В момента на станцията се изгражда бинарен блок, който ще увеличи мощността й с още 2,5 MW.

Развитието на геотермалната енергия в СССР и Русия беше възпрепятствано от наличието на традиционни енергийни източници - нефт, газ, въглища, но никога не спираше. Най-големите геотермални енергийни съоръжения в момента са Verkhne-Mutnovskaya GeoPP с обща мощност на енергийните блокове от 12 MW, пусната в експлоатация през 1999 г., и Mutnovskaya GeoPP с мощност 50 MW (2002 г.).

Мутновската и Верхне-Мутновската геоПП са уникални обекти не само за Русия, но и в световен мащаб. Станциите са разположени в подножието на вулкана Мутновски, на надморска височина от 800 метра и работят в екстремни климатични условия, където зимата е 9-10 месеца в годината. Оборудването на Mutnovsky GeoPPs, което в момента е едно от най-модерните в света, е изцяло създадено в местни енергийни предприятия.

В момента делът на станциите Mutnovsky в общата структура на енергийното потребление на енергийния център на Централна Камчатка е 40%. Има планове за увеличаване на капацитета през следващите години.

Специално внимание трябва да се обърне на руските нефтотермални разработки. Все още нямаме големи сондажни центрове, но имаме напреднали технологии за сондиране на големи дълбочини (около 10 км), които също нямат аналози в света. Техен по-нататъчно развитиеще намали радикално разходите за създаване на петротермални системи. Разработчици на тези технологии и проекти са Н. А. Гнатус, М. Д. Хуторской (Геологически институт на Руската академия на науките), А. С. Некрасов (Институт за национално икономическо прогнозиране на Руската академия на науките) и специалисти от Калужския турбинен завод. В момента проектът за нефтотермалната циркулационна система в Русия е в експериментален етап.

Геотермалната енергия има перспективи в Русия, макар и сравнително далечни: в момента потенциалът е доста голям и позицията на традиционната енергия е силна. В същото време в редица отдалечени райони на страната използването на геотермална енергия е икономически изгодно и вече се търси. Това са територии с висок геоенергиен потенциал (Чукотка, Камчатка, Курилските острови - руската част от тихоокеанския „огнен пояс на Земята“, планините на Южен Сибир и Кавказ) и в същото време отдалечени и откъснати от централизирана енергийни доставки.

Вероятно през следващите десетилетия геотермалната енергия у нас ще се развива именно в такива райони.

„Използване на нискокачествена топлинна енергия на земята в термопомпени системи“

Василиев G.P., научен директор на OJSC INSOLAR-INVEST, доктор на техническите науки, председател на Съвета на директорите на OJSC INSOLAR-INVEST
Н. В. Шилкин, инженер, НИИСФ (Москва)

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

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

Анализ възможни областиприлагане в руската икономика на използването на енергоспестяващи технологии нетрадиционни източници на енергия, показва, че в Русия най-обещаващата област за тяхното внедряване са животоподдържащите системи за сгради. В същото време широкото използване изглежда много ефективна посока за въвеждане на разглежданите технологии в практиката на вътрешното строителство. термопомпени отоплителни системи (HST), използвайки почвата от повърхностните слоеве на Земята като универсално достъпен източник на топлина с нисък потенциал.

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

За разлика от "директното" използване на висококачествена топлина (хидротермални ресурси), използване на нискокачествена топлина от Земятаизползването на термопомпи е възможно почти навсякъде. В момента това е една от най-динамично развиващите се области на използване. нетрадиционни възобновяеми енергийни източници.

Нискокачествена топлина на Земятаможе да се използва в различни видове сгради и конструкции по много начини: за отопление, топла вода, климатизация (охлаждане), отоплителни пътища в зимно времегодина, за предотвратяване на заледяване, топлинни полета на открити стадиони и т.н. геотермални термопомпи.

Климатичните характеристики на страните от Централна и Северна Европа, които заедно със САЩ и Канада са основните зони за използване на нискокачествена топлина от Земята, определят основно необходимостта от отопление; въздушно охлаждане дори в летен периодИзисква се сравнително рядко. Следователно, за разлика от САЩ, термопомпив европейските страни работят предимно в режим на отопление. В САЩ термопомпипо-често се използват в системи за въздушно отопление, комбинирани с вентилация, което позволява както отопление, така и охлаждане на външния въздух. В европейските страни термопомпиобикновено се използва в системи за отопление на вода. Тъй като ефективност на термопомпатасе увеличава, когато температурната разлика между изпарителя и кондензатора намалява; системите за подово отопление често се използват за отопление на сгради, в които охлаждащата течност циркулира при относително ниска температура (35–40 °C).

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

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

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

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

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

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

Данни за оценка на глобалното ниво на използване на нископотенциална топлинна енергия на Земята чрез термопомпи са дадени в таблицата.

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

Почвата като източник на нископотенциална топлинна енергия

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

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

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

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

По време на експлоатационния период почвената маса, намираща се в зоната на термично въздействие на регистъра на тръбите на почвения топлообменник на нископотенциалната система за събиране на почвена топлина (система за събиране на топлина), поради сезонни промени в параметрите на външния климат, както и под въздействието на експлоатационни натоварвания върху системата за събиране на топлина, обикновено е обект на многократно замразяване и размразяване. В този случай, естествено, има промяна в агрегатното състояние на влагата, съдържаща се в порите на почвата и в общия случай едновременно в течната, твърдата и газообразната фаза. С други думи, почвената маса на системата за събиране на топлина, независимо в какво състояние е (замръзнала или размразена), е сложна трифазна полидисперсна хетерогенна система, чийто скелет се формира от огромен брой твърди частици от различни форми и размери и могат да бъдат или твърди, или подвижни, в зависимост от това дали частиците са здраво свързани помежду си или дали са разделени една от друга от вещество в подвижната фаза. Пространствата между твърдите частици могат да бъдат запълнени с минерализирана влага, газ, пара и лед или и двете. Моделирането на процесите на пренос на топлина и маса, които формират топлинния режим на такава многокомпонентна система, е изключително сложна задача, тъй като изисква отчитане и математическо описание на различни механизми на тяхното осъществяване: топлопроводимост в отделна частица, пренос на топлина от една частица с друга при техния контакт, молекулярна топлопроводимост в средата, запълваща празнините между частиците, конвекция на пара и влага, съдържащи се в пространството на порите, и много други.

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

В капилярно-порести системи, като например почвената маса на система за събиране на топлина, наличието на влага в пространството на порите има забележим ефект върху процеса на разпространение на топлина. Правилното отчитане на това влияние днес е свързано със значителни трудности, които са свързани преди всичко с липсата на ясни идеи за естеството на разпределението на твърдите, течните и газообразните фази на влагата в определена структура на системата. Характерът на силите на свързване между влагата и скелетните частици и зависимостта на формите на свързване между влагата и материала от различни етапиовлажняване, механизмът на движение на влагата в пространството на порите.

Ако има температурен градиент в дебелината на почвената маса, молекулите на парата се придвижват до места с нисък температурен потенциал, но в същото време под въздействието на гравитационните сили възниква противоположно насочен поток от влага в течната фаза. В допълнение, температурният режим на горните слоеве на почвата се влияе от влагата на атмосферните валежи, както и от подземните води.

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

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

Видове системи за използване на нископотенциална топлинна енергия на Земята

Земните топлообменници се свързват термопомпено оборудванес почвен масив. В допълнение към „извличането“ на топлината на Земята, земните топлообменници могат да се използват и за акумулиране на топлина (или студ) в почвена маса.

Като цяло могат да се разграничат два вида системи за използване на нископотенциална топлинна енергия на Земята::

• отворени системи:подпочвените води, подавани директно към термопомпи, се използват като източник на нискокачествена топлинна енергия;
• затворени системи:топлообменниците са разположени в почвената маса; когато охлаждаща течност с по-ниска температура спрямо земята циркулира през тях, топлинната енергия се „избира“ от земята и се прехвърля към изпарителя топлинна помпа(или при използване на охлаждаща течност с по-висока температура спрямо земята, нейното охлаждане).

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

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

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

• достатъчна пропускливост на почвата, позволяваща попълване на запасите от вода;
• Добър химичен състав на подземните води (напр. ниско съдържание на желязо), за да се избегнат проблеми с котлен камък и корозия на тръбите.

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

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

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

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

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

Ориз. 4. Видове хоризонтални земни топлообменници
а – топлообменник от последователно свързани тръби;
б – топлообменник от успоредно свързани тръби;
в – хоризонтален колектор, положен в изкоп;
d – контурен топлообменник;
г – топлообменник под формата на спирала, разположен хоризонтално (т.нар. „плътен“ колектор;
д – топлообменник под формата на спирала, разположен вертикално

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

Вертикални земни топлообменници(в английската литература е прието обозначението „BHE“ - „borehole heat exchanger“) позволяват използването на нископотенциални Термална енергияпочвена маса, разположена под „неутралната зона“ (10–20 m от нивото на земята). Системите с вертикални наземни топлообменници не изискват големи площи и не зависят от интензитета на падащата върху повърхността слънчева радиация. Вертикалните земни топлообменници работят ефективно в почти всички видове геоложки среди, с изключение на почви с ниска топлопроводимост, като сух пясък или сух чакъл. Системите с вертикални наземни топлообменници са широко разпространени.

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

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

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

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

Ориз. 6. Разрез различни видовевертикални земни топлообменници

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

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

Специален случай на вертикални затворени системи е използването на строителни конструкции като земни топлообменници, например фундаментни пилоти с вградени тръбопроводи. Напречното сечение на такава купчина с три вериги на земен топлообменник е показано на фиг. 7.

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

Почвената маса (в случай на вертикални земни топлообменници) и строителните конструкции с земни топлообменници могат да се използват не само като източник, но и като естествен акумулатор на топлинна енергия или „студ“, например топлината на слънчевата енергия. радиация.

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

Ориз. 8. Схема на кладенец тип „стоящ колонен кладенец”.

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

Едно от обещаващите направления е използването на вода от мини и тунели като източник на топлинна енергия с нисък потенциал. Температурата на тази вода е постоянна през цялата година. Водата от мини и тунели е лесно достъпна.

„Устойчивост“ на системи за използване на нискокачествена топлина от Земята

При работа на земен топлообменник може да възникне ситуация, когато по време на отоплителен сезонтемпературата на почвата в близост до земния топлообменник намалява, а през лятото почвата няма време да се затопли до първоначалната температура - нейният температурен потенциал намалява. Потреблението на енергия през следващия отоплителен сезон води до още по-голям спад на температурата на почвата и нейният температурен потенциал се намалява допълнително. Това налага при проектирането на системи използване на нискокачествена топлина на Земятаразгледайте проблема с „устойчивостта“ на такива системи. Енергийните ресурси често се използват много интензивно за намаляване на периода на изплащане на оборудването, което може да доведе до бързото им изчерпване. Следователно е необходимо да се поддържа такова ниво на производство на енергия, което да позволява дълготрайна експлоатация на източника на енергийни ресурси. Тази способност на системите да поддържат необходимото ниво на производство на топлинна енергия за дълъг период от време се нарича „устойчивост“. За системи с нисък потенциал Земната топлинададено е следното определение за устойчивост: „За всяка система за използване на нискокачествена топлина на Земята и за всеки режим на работа на тази система има определено максимално ниво на производство на енергия; Производството на енергия под това ниво може да се поддържа дълго време (100–300 години).“

Провежда се в OJSC "INSOLAR-INVEST"проучванията показват, че потреблението на топлинна енергия от почвената маса в края на отоплителния сезон причинява намаляване на температурата на почвата в близост до регистъра на тръбите на системата за събиране на топлина, което в почвените и климатични условия на по-голямата част от територията Русия няма време да се компенсира през летния период на годината и до началото на следващия отоплителен сезон почвата остава с намален температурен потенциал. Консумацията на топлинна енергия през следващия отоплителен сезон води до по-нататъшно понижаване на температурата на почвата и до началото на третия отоплителен сезон нейният температурен потенциал се различава още повече от естествения. И така нататък. Въпреки това, обвивките на топлинното влияние на дългосрочната работа на системата за събиране на топлина върху естествения температурен режим на почвата имат ясно изразен експоненциален характер и до петата година на експлоатация почвата достига нов режим, близък до периодичния, т.е. започвайки от петата година на експлоатация, дългосрочното потребление на топлинна енергия от системите за събиране на топлина от почвената маса се придружава от периодични промени в нейната температура. Така при проектирането термопомпени отоплителни системиИзглежда необходимо да се вземе предвид спадът на температурите на почвената маса, причинен от многогодишната експлоатация на системата за събиране на топлина, и да се използват температурите на почвената маса, очаквани за 5-та година от експлоатацията на TST като проектни параметри.

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

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

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

Ориз. 9. Схеми на разпределение на температурата в почвената маса около вертикален земен топлообменник в началото и края на първия отоплителен сезон

Тъй като вертикалните топлообменници започнаха да стават относително широко разпространени преди около 15-20 години, в целия свят липсват експериментални данни, получени в продължение на дълга (няколко десетилетия) работа на системи с топлообменници от този тип. Възниква въпросът за стабилността на тези системи, за тяхната надеждност при дълги периоди на работа. Дали ниската топлина на Земята е възобновяем източник на енергия? Какъв е периодът на "обновяване" на този източник?

При работа на селско училище в района на Ярославъл, оборудвано термопомпена системаизползвайки вертикален земен топлообменник, средните специфични стойности на топлоотвеждане бяха на ниво 120–190 W/линейно. m дължина на топлообменника.

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

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

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

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

Въз основа на експериментални данни бяха изградени математически модели на процесите, протичащи в почвената маса, което позволи да се направи дългосрочна прогноза за промените в температурата на почвената маса.

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

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

Литература

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

11. Василиев Г.П. Енергоефективни сгради с термопомпени отоплителни системи. сп. Жилищно-комунално стопанство, бр.12, 2002г

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

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

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

Температурата на почвата се променя непрекъснато с дълбочината и времето. Зависи от редица фактори, много от които са трудни за отчитане. Последните, например, включват: естеството на растителността, експозицията на склона към кардиналните точки, засенчването, снежната покривка, естеството на самите почви, наличието на надвечно замръзнали води и др. Температурата на почвата обаче , както по стойност, така и по характер на разпределението, остава сравнително постоянен от година на година стабилен, като решаващото влияние тук остава с температурата на въздуха.

Температура на почвата на различни дълбочинии в различни периоди от годината могат да бъдат получени чрез директни измервания в термични кладенци, които се инсталират в процеса на проучване. Но този метод изисква дългосрочни наблюдения и значителни разходи, което не винаги е оправдано. Данните, получени от един или два кладенеца, се разпределят върху големи площи и дължини, което значително изкривява реалността, така че изчислените данни за температурата на земята в много случаи се оказват по-надеждни.

Температура на вечно замръзналата почвана всяка дълбочина (до 10 m от повърхността) и за всеки период от годината може да се определи по формулата:

tr = mt°, (3.7)

където z е дълбочината, измерена от VGM, m;

tr – почвена температура на дълбочина z, в градуси.

τr – време равно на година (8760 часа);

τ - времето, преброено напред (до 1 януари) от момента на началото на есенното замръзване на почвата до момента, за който се измерва температурата, в часове;

exp x – експонента (показателната функция exp се взема от таблиците);

m – коефициент в зависимост от периода на годината (за периода октомври – май m = 1,5-0,05z, а за периода юни – септември m = 1)

Повечето ниска температурана дадена дълбочина ще бъде, когато косинусът във формула (3.7) стане равен на -1, т.е. минималната температура на почвата за годината на дадена дълбочина ще бъде

tr min = (1,5-0,05z) t°, (3,8)

Максималната температура на почвата на дълбочина z ще бъде, когато косинусът приеме стойността равно на еднотези.

tr max = t°, (3.9)

И в трите формули стойността на обемния топлинен капацитет C m трябва да се изчисли за температура на почвата t°, като се използва формула (3.10).

C 1 m = 1/W, (3.10)

Температура на почвата в сезонния слой на размразяванеможе да се определи и чрез изчисление, като се има предвид, че изменението на температурата в този слой е доста точно апроксимирано чрез линейна зависимост при следните температурни градиенти (Таблица 3.1).

Изчислявайки по една от формулите (3.8) – (3.9) температурата на почвата на ниво VGM, т.е. като поставим Z=0 във формулите, след което с помощта на таблица 3.1 определяме температурата на почвата на дадена дълбочина в сезонния слой на размразяване. В най-горните слоеве на почвата, до приблизително 1 m от повърхността, характерът на температурните колебания е много сложен.

Таблица 3.1

Температурен градиент в сезонния слой на размразяване на дълбочина под 1 m от земната повърхност

Забележка.Знакът на градиента е показан в посока към дневната повърхност.

За да получите изчислената температура на почвата в метър слой от повърхността, можете да продължите по следния начин. Изчислете температурата на дълбочина 1 m и температурата на дневната повърхност на почвата и след това чрез интерполация от тези две стойности определете температурата на дадена дълбочина.

Температурата на земната повърхност t p в студения сезон на годината може да се приеме равна на температурата на въздуха. През лятото:

t p = 2+1,15 t c, (3.11)

където t p е повърхностната температура в градуси.

t in – температура на въздуха в градуси.

Температура на почвата в зона без сливане на вечна замръзналост се изчислява по различен начин отколкото при сливането. На практика можем да приемем, че температурата на ниво VGM ще бъде равна на 0°C през цялата година. Изчислената температура на вечно замръзналата почва на дадена дълбочина може да се определи чрез интерполация, като се приеме, че тя се променя в дълбочина по линеен закон от t° на дълбочина 10 m до 0°C на дълбочината на VGM. Температурата в размразения слой ht може да се приеме от 0,5 до 1,5°C.

В сезонния слой на замръзване h p температурата на земята може да се изчисли по същия начин, както за сезонния слой на размразяване на зоната на сливане на вечна замръзналост, т.е. в слой h p – 1 m по температурния градиент (Таблица 3.1), като се има предвид, че температурата на дълбочина h p е равна на 0°C през студения сезон и 1°C през лятото. В най-горния метър слой на почвата температурата се определя чрез интерполация между температурата на дълбочина 1 m и температурата на повърхността.