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

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

Pentru a obține temperatura solului la o anumită adâncime, puteți încerca, de exemplu, două moduri simple. Ambele metode implică utilizarea cărților de referință:

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

tabelul 1

1. Tabelul temperaturii solului pt diverse adâncimi dintr-o sursă „pentru a ajuta un muncitor din industria gazelor” care datează din vremea URSS

Adâncimi standard de îngheț pentru unele orașe:

Adâncimea de înghețare a solului depinde de tipul de sol:

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

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

Aici trebuie doar să selectați o așezare, un tip de sol și puteți obține o hartă a temperaturii solului sau datele acesteia în formă tabelară. În principiu, este convenabil, dar se pare că această resursă este plătită.

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

Ați putea fi interesat de următorul material:

Cea mai mare dificultate este evitarea microflorei patogene. Și acest lucru este dificil de făcut într-un mediu saturat de umiditate și suficient de cald. Chiar și în cele mai bune beciuri există întotdeauna mucegai. Prin urmare, avem nevoie de un sistem de curățare utilizat în mod regulat a țevilor de toate urâtele care se acumulează pe pereți. Și a face acest lucru cu o așezare de 3 metri nu este atât de ușor. Primul lucru care îmi vine în minte este metoda mecanica- perie. Cât despre curățarea coșurilor de fum. Folosind un fel de substanță chimică lichidă. Sau gaz. Dacă pompați fosgen printr-o țeavă, de exemplu, atunci totul va muri și acest lucru poate fi suficient pentru câteva luni. Dar orice gaz intră în chimie. reacționează cu umiditatea din țeavă și, în consecință, se instalează în ea, ceea ce face ca ventilarea să dureze mult. Și ventilația pe termen lung va duce la restabilirea agenților patogeni. Acest lucru necesită o abordare competentă, cu cunoștințe despre produsele de curățare moderne.

În general, subscriu la fiecare cuvânt! (Chiar nu știu de ce să mă bucur aici).

În acest sistem, văd câteva probleme care trebuie rezolvate:

1. Lungimea acestui schimbător de căldură este suficientă pentru utilizarea eficientă (va exista, evident, un anumit efect, dar nu este clar ce)
2. Condens. Iarna nu va exista, deoarece aerul rece va fi pompat prin conductă. Condensul va cădea din exteriorul țevii - în pământ (este mai cald). Dar vara... Problema este CUM se pompează condensul de sub o adâncime de 3 m - deja m-am gândit să fac un puț de sticlă etanș pe partea de colectare a condensului pentru a colecta condensul. Instalați o pompă în ea care va pompa periodic condensul...
3. Se presupune că conductele de canalizare (plastic) sunt sigilate. Dacă da, atunci apele subterane din jur nu ar trebui să pătrundă și nu ar trebui să afecteze umiditatea aerului. Prin urmare, cred că nu va fi umiditate (ca la subsol) acolo. Cel puțin iarna. Cred că subsolul este umed din cauza ventilației slabe. Mucegaiul nu-i place lumina soarelui și curenții de aer (vor fi curenți în țeavă). Și acum întrebarea este - CÂT de strânse sunt conductele de canalizare în pământ? Câți ani îmi vor rezista? Faptul este că acest proiect este legat - un șanț este săpat pentru canalizare (va fi la o adâncime de 1-1,2 m), apoi izolație (polistiren expandat) și mai adânc - un acumulator de pământ). Aceasta înseamnă că acest sistem nu poate fi reparat dacă se depresurizează - nu-l voi săpa - îl voi acoperi doar cu pământ și gata.
4. Curățarea țevilor. M-am gândit să fac o bine de vizionare în punctul cel mai de jos. Acum există mai puțin „entuziasm” cu privire la această chestiune - apa subterană - se poate dovedi că va fi inundată și va avea ZERO simț. Fără fântână nu există multe opțiuni:
A. se fac revizii pe ambele părți (pentru fiecare țeavă de 110 mm), care ajung la suprafață, iar prin țeavă se trage un cablu din oțel inoxidabil. Pentru curățare, îi atașăm un kvach. Dezavantaje - o grămadă de țevi ies la suprafață, ceea ce va afecta temperatura și condițiile hidrodinamice ale bateriei.
b. inundați periodic conductele cu apă și înălbitor, de exemplu (sau alt dezinfectant), pompând apă din puțul de condensare de la celălalt capăt al conductelor. Apoi uscați țevile cu aer (eventual în modul de primăvară - din casă afară, deși nu prea îmi place această idee).
5. Nu va exista mucegai (schiză). dar alte microorganisme care trăiesc în băutură – foarte mult. Există speranță pentru regimul de iarnă - aerul rece uscat dezinfectează bine. O opțiune de protecție este un filtru la priza bateriei. Sau ultraviolete (scump)
6. Cât de stresant este să miști aerul printr-o astfel de structură?
Filtru (plasă fină) la intrare
-> întoarce 90 de grade în jos
-> 4m 200mm teava jos
-> împărțirea fluxului în 4 conducte de 110 mm
-> 10 metri pe orizontală
-> întoarce 90 de grade în jos
-> 1 metru mai jos
-> rotiți 90 de grade
-> 10 metri pe orizontală
-> colectarea curgerii într-o conductă de 200 mm
-> 2 metri în sus
-> intoarce 90 de grade (in casa)
-> filtru de buzunar din hârtie sau material textil
-> ventilator

Avem 25m de tevi, 6 spire la 90 de grade (virajele se pot face mai lin - 2x45), 2 filtre. Vreau 300-400m3/h. Viteza de curgere ~4m/sec

În țara noastră, bogată în hidrocarburi, energia geotermală este un fel de resursă exotică, care, dată fiind situația actuală, este puțin probabil să concureze cu petrolul și gazele. Cu toate acestea, acest tip alternativ de energie poate fi folosit aproape peste tot și destul de eficient.

Energia geotermală este căldura din interiorul pământului. Se produce în adâncuri și ajunge la suprafața Pământului în diferite formeși cu intensități diferite.

Temperatura straturilor superioare ale solului depinde în principal de factori externi (exogeni) - iluminarea solară și temperatura aerului. Vara și ziua, solul se încălzește la anumite adâncimi, iar iarna și noaptea se răcește în urma schimbărilor de temperatură a aerului și cu o oarecare întârziere care crește odată cu adâncimea. Influența fluctuațiilor zilnice ale temperaturii aerului se termină la adâncimi de la câțiva până la câteva zeci de centimetri. Fluctuațiile sezoniere afectează straturile mai adânci de sol - până la zeci de metri.

La o anumită adâncime - de la zeci la sute de metri - temperatura solului rămâne constantă, egală cu temperatura medie anuală a aerului de la suprafața Pământului. Puteți verifica cu ușurință acest lucru coborând într-o peșteră destul de adâncă.

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

De la o anumită adâncime (diferită pentru fiecare punct de pe hartă), acțiunea Soarelui și a atmosferei slăbește atât de mult încât factorii endogeni (interni) vin pe primul loc și interiorul pământului se încălzește din interior, astfel încât temperatura începe să crească cu profunzime.

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

Fluxul de căldură din interiorul Pământului care ajunge la suprafața Pământului este mic - în medie puterea sa este de 0,03–0,05 W/m2, sau aproximativ 350 Wh/m2 pe an. Pe fondul fluxului de căldură de la Soare și al aerului încălzit de acesta, aceasta este o valoare inobservabilă: Soarele oferă fiecărui metru pătrat de suprafață terestră aproximativ 4000 kWh anual, adică de 10.000 de ori mai mult (desigur, acesta este în medie, cu o răspândire uriașă între latitudinile polare și ecuatoriale și în funcție de alți factori climatici și meteorologici).

Nesemnificația fluxului de căldură din interior spre suprafață în cea mai mare parte a planetei este asociată cu conductibilitatea termică scăzută a rocilor și particularitățile structurii geologice. Dar există și excepții - locuri în care fluxul de căldură este mare. Acestea sunt, în primul rând, zone de falii tectonice, activitate seismică crescută și vulcanism, unde energia din interiorul pământului își găsește o ieșire. Astfel de zone sunt caracterizate de anomalii termice ale litosferei; aici fluxul de căldură care ajunge la suprafața Pământului poate fi de câteva ori și chiar ordine de mărime mai puternic decât „obișnuit”. Erupțiile vulcanice și izvoarele termale aduc cantități enorme de căldură la suprafață în aceste zone.

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

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

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

Reciprocul este pasul geotermal sau intervalul de adâncime la care temperatura crește cu 1°C.

Cu cât gradientul este mai mare și, în consecință, cu cât etapa este mai mică, cu atât căldura adâncimii Pământului iese la suprafață mai aproape și cu atât această zonă este mai promițătoare pentru dezvoltarea energiei geotermale.

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

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

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

Un alt exemplu este o sondă forată în regiunea Caspică de Nord, unde la o adâncime de 500 m s-a înregistrat o temperatură de 42°C, la 1,5 km - 70°C, la 2 km - 80°C, la 3 km - 108°C. .

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

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

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

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

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

Căldura din apă subterană, abur, amestecuri abur-apă este energie hidrotermală. În consecință, energia bazată pe utilizarea sa se numește hidrotermală.

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

Pe teritoriul Rusiei, potențialul energiei petrotermale este de o sută de ori mai mare decât cel al energiei hidrotermale - 3500, respectiv 35 trilioane de tone. combustibil standard. Acest lucru este destul de natural - căldura adâncurilor Pământului este disponibilă peste tot, iar apele termale se găsesc local. Cu toate acestea, din cauza unor dificultăți tehnice evidente, apele termale sunt utilizate în prezent mai ales pentru a genera căldură și electricitate.

Apele cu temperaturi de la 20–30 la 100°C sunt potrivite pentru încălzire, temperaturile de la 150°C și mai sus sunt potrivite pentru generarea de energie electrică în centralele geotermale.

În general, resursele geotermale din Rusia, în ceea ce privește tone de combustibil echivalent sau orice altă unitate de măsură a energiei, sunt de aproximativ 10 ori mai mari decât rezervele de combustibili fosili.

Teoretic, doar datorita energie geotermală s-ar putea satisface pe deplin nevoile energetice ale ţării. Aproape aprins acest momentîn cea mai mare parte a teritoriului său, acest lucru nu este fezabil din motive tehnice și economice.

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

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

În Islanda, peste 60% din toată energia consumată în prezent provine de pe Pământ. Sursele geotermale asigură 90% din încălzire și 30% din generarea de energie electrică. Să adăugăm că restul energiei electrice a țării este produsă de centrale hidroelectrice, adică folosind și o sursă de energie regenerabilă, făcând Islanda să arate ca un fel de standard de mediu global.

Domesticizarea energiei geotermale în secolul al XX-lea a beneficiat foarte mult Islandei din punct de vedere economic. Până la jumătatea secolului trecut, a fost o țară foarte săracă, acum ocupând primul loc în lume în ceea ce privește capacitatea instalată și producția de energie geotermală pe cap de locuitor și se află în top zece în ceea ce privește capacitatea instalată absolută a centralelor geotermale. . Cu toate acestea, populația sa este de doar 300 de mii de oameni, ceea ce simplifică sarcina de a trece la surse de energie ecologice: nevoia este în general mică.

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

Utilizarea energiei geotermale are o istorie foarte lungă. Unul dintre primele exemple cunoscute este Italia, un loc din provincia Toscana, numit în prezent Larderello, unde la începutul secolului al XIX-lea apele termale calde locale, curgând în mod natural sau extrase din fântâni de mică adâncime, erau folosite în scopuri energetice.

Apa din surse subterane, bogata in bor, era folosita aici pentru obtinere acid boric. Inițial, acest acid a fost obținut prin evaporare în cazane de fier, iar lemnul obișnuit din pădurile din apropiere a fost luat drept combustibil, dar în 1827 Francesco Larderel a creat un sistem care a funcționat pe căldura apelor în sine. În același timp, energia vaporilor naturali de apă a început să fie folosită pentru a opera instalații de foraj, iar la începutul secolului al XX-lea - pentru încălzirea caselor și a serelor locale. Acolo, la Larderello, în 1904, vaporii de apă termală au devenit o sursă de energie pentru generarea de energie electrică.

Exemplul Italiei a fost urmat de alte câteva țări la sfârșitul secolului al XIX-lea și începutul secolului al XX-lea. De exemplu, în 1892, apele termale au fost folosite pentru încălzirea locală pentru prima dată în SUA (Boise, Idaho), în 1919 în Japonia și în 1928 în Islanda.

În SUA, prima centrală electrică care funcționează cu energie hidrotermală a apărut în California la începutul anilor 1930, în Noua Zeelandă - în 1958, în Mexic - în 1959, în Rusia (primul GeoPP binar din lume) - în 1965.

Vechi principiu pe o nouă sursă

Generarea de energie electrică necesită mai mult temperatura ridicata hidrosursă decât pentru încălzire - mai mult de 150°C. Principiul de funcționare al unei centrale geotermale (GeoPP) este similar cu principiul de funcționare al unei centrale termice convenționale (CHP). De fapt, o centrală geotermală este un tip de centrală termică.

La centralele termice, sursa primară de energie este de obicei cărbunele, gazul sau păcură, iar fluidul de lucru este vaporii de apă. Combustibilul, atunci când este ars, încălzește apa până la starea de abur, care se rotește turbină cu aburși generează energie electrică.

Diferența dintre un GeoPP este că sursa primară de energie aici este căldura din interiorul pământului, iar fluidul de lucru sub formă de abur este furnizat palelor turbinei generatorului electric într-o formă „gata” direct din puțul de producție. .

Există trei scheme principale de operare pentru GeoPP: direct, folosind abur uscat (geotermal); indirect, pe bază de apă hidrotermală, și mixt, sau binar.

Utilizarea uneia sau a alteia scheme depinde de starea de agregare și de temperatura purtătorului de energie.

Cea mai simplă și deci prima dintre schemele stăpânite este cea directă, în care aburul care vine din puț este trecut direct prin turbină. Prima centrală geoelectrică din lume din Larderello din 1904 a funcționat și cu abur uscat.

GeoPP-urile cu o schemă de operare indirectă sunt cele mai comune în timpul nostru. Ei folosesc apă subterană fierbinte, care este pompată sub presiune înaltă într-un evaporator, unde o parte din aceasta este evaporată, iar aburul rezultat rotește o turbină. În unele cazuri, sunt necesare dispozitive și circuite suplimentare pentru a purifica apa geotermală și aburul din compușii agresivi.

Aburul de evacuare intră în puțul de injecție sau este utilizat pentru încălzirea spațiilor - în acest caz, principiul este același ca și atunci când funcționează o centrală termică.

La GeoPP-urile binare, apa termală fierbinte interacționează cu un alt lichid care îndeplinește funcțiile unui fluid de lucru cu un punct de fierbere mai scăzut. Ambele fluide sunt trecute printr-un schimbător de căldură, unde apa termală evaporă fluidul de lucru, ai cărui vapori rotesc turbina.

Acest sistem este închis, ceea ce rezolvă problema emisiilor în atmosferă. În plus, fluidele de lucru cu un punct de fierbere relativ scăzut fac posibilă utilizarea apelor termale nu foarte fierbinți ca sursă primară de energie.

Toate cele trei scheme folosesc o sursă hidrotermală, dar energia petrotermală poate fi folosită și pentru a genera energie electrică.

Schema de circuit în acest caz este, de asemenea, destul de simplă. Este necesar să forați două puțuri interconectate - injecție și producție. Apa este pompată în puțul de injecție. La adâncime este încălzit, apoi apa încălzită sau aburul format ca urmare a încălzirii puternice este furnizat la suprafață prin puțul de producție. Apoi totul depinde de modul în care este utilizată energia petrotermală - pentru încălzire sau pentru generarea de energie electrică. Este posibil un ciclu închis prin pomparea aburului rezidual și a apei înapoi în puțul de injecție sau altă metodă de eliminare.

Dezavantajul unui astfel de sistem este evident: pentru a obține o temperatură suficient de ridicată a fluidului de lucru, este necesară forarea puțurilor la adâncimi mari. Și acestea sunt costuri serioase și riscul unei pierderi semnificative de căldură atunci când fluidul se mișcă în sus. Prin urmare, sistemele petrotermale sunt încă mai puțin răspândite în comparație cu cele hidrotermale, deși potențialul energiei petrotermale este cu ordine de mărime mai mare.

În prezent, liderul în crearea așa-numitelor sisteme de circulație petrotermală (PCS) este Australia. În plus, această zonă a energiei geotermale se dezvoltă activ în SUA, Elveția, Marea Britanie și Japonia.

Cadou de la Lordul Kelvin

Invenția pompei de căldură în 1852 de către fizicianul William Thompson (alias Lord Kelvin) a oferit omenirii o oportunitate reală de a folosi căldura de calitate scăzută a straturilor superioare ale solului. Sistemul pompei de căldură, sau cum l-a numit Thompson, multiplicatorul de căldură, se bazează proces fizic transfer de căldură de la mediu inconjurator la agentul frigorific. În esență, folosește același principiu ca și sistemele petrotermale. Diferența constă în sursa de căldură, ceea ce poate ridica o întrebare terminologică: în ce măsură o pompă de căldură poate fi considerată un sistem geotermal? Cert este că în straturile superioare, la adâncimi de la zeci până la sute de metri, rocile și fluidele pe care le conțin sunt încălzite nu de căldura adâncă a pământului, ci de soare. Astfel, soarele este în acest caz sursa primară de căldură, deși este luat, ca și în sistemele geotermale, din sol.

Funcționarea unei pompe de căldură se bazează pe întârzierea încălzirii și răcirii solului față de atmosferă, având ca rezultat formarea unui gradient de temperatură între suprafață și straturile mai profunde care rețin căldura chiar și iarna, așa cum se întâmplă în rezervoare. . Scopul principal al pompelor de căldură este încălzirea spațiului. În esență, este un „frigider inversat”. Atât pompa de căldură, cât și frigiderul interacționează cu trei componente: mediul intern (în primul caz - o cameră încălzită, în al doilea - camera de răcire a frigiderului), mediul extern - o sursă de energie și un agent frigorific (refrigerant) , care este si un lichid de racire care asigura transferul de caldura sau frig.

O substanță cu un punct de fierbere scăzut acționează ca agent frigorific, ceea ce îi permite să preia căldură dintr-o sursă care are chiar și o temperatură relativ scăzută.

În frigider, agentul frigorific lichid curge printr-un clapete de accelerație (regulator de presiune) în evaporator, unde din cauza unei scăderi brusce a presiunii, lichidul se evaporă. Evaporarea este un proces endotermic care necesită absorbția căldurii din exterior. Ca rezultat, căldura este îndepărtată de pe pereții interiori ai evaporatorului, ceea ce asigură un efect de răcire în camera frigiderului. Apoi, agentul frigorific este tras din evaporator în compresor, unde este readus la starea lichidă. Acest proces invers, conducând la eliberarea căldurii îndepărtate în mediul extern. De regulă, este aruncat în interior și zidul din spate frigiderul este relativ cald.

O pompa de caldura functioneaza aproape in acelasi mod, cu diferenta ca caldura este preluata din mediul exterior si prin evaporator intra in mediul intern - sistemul de incalzire a camerei.

Într-o pompă de căldură adevărată, apa este încălzită prin trecerea printr-un circuit extern plasat în pământ sau rezervor, iar apoi intră în evaporator.

În evaporator, căldura este transferată într-un circuit intern umplut cu un agent frigorific cu punct de fierbere scăzut, care, trecând prin evaporator, trece de la starea lichidă la starea gazoasă, luând căldură.

Apoi, agentul frigorific gazos intră în compresor, unde este comprimat la presiune și temperatură ridicată, și intră în condensator, unde are loc schimbul de căldură între gazul fierbinte și lichidul de răcire din sistemul de încălzire.

Compresorul necesită energie electrică pentru a funcționa, cu toate acestea, raportul de transformare (raportul dintre energia consumată și generată) în sisteme moderne suficient de ridicat pentru a le asigura eficacitatea.

În prezent, pompele de căldură sunt destul de utilizate pe scară largă pentru încălzirea spațiilor, în principal în economie țările dezvoltate.

Energie eco-corectă

Energia geotermală este considerată ecologică, ceea ce este în general adevărat. În primul rând, folosește o resursă regenerabilă și practic inepuizabilă. Energia geotermală nu necesită suprafețe mari, spre deosebire de marile hidrocentrale sau parcuri eoliene, și nu poluează atmosfera, spre deosebire de energia hidrocarburilor. În medie, un GeoPP ocupă 400 m 2 în termeni de 1 GW de energie electrică generată. Aceeași cifră pentru o centrală termică pe cărbune, de exemplu, este de 3600 m2. Avantajele de mediu ale GeoPP-urilor includ și consumul redus de apă - 20 de litri de apă dulce la 1 kW, în timp ce centralele termice și centralele nucleare necesită aproximativ 1000 de litri. Rețineți că aceștia sunt indicatorii de mediu ai GeoPP „medie”.

Dar există încă efecte secundare negative. Printre acestea, cel mai adesea sunt identificate zgomotul, poluarea termică a atmosferei și poluarea chimică a apei și a solului, precum și formarea deșeurilor solide.

Principala sursă de poluare chimică a mediului este apa termală însăși (cu temperatură ridicată și mineralizare), care conține adesea cantitati mari compuși toxici și, prin urmare, există o problemă de eliminare a apelor uzate și a substanțelor periculoase.

Efectele negative ale energiei geotermale pot fi urmărite în mai multe etape, începând cu forarea puțurilor. Aici apar aceleași pericole ca la forarea oricărei puțuri: distrugerea solului și a acoperirii vegetației, contaminarea solului și a apelor subterane.

În stadiul de funcționare a GeoPP, rămân probleme de poluare a mediului. Fluidele termice - apă și abur - conțin de obicei dioxid de carbon (CO 2), sulfură de sulf (H 2 S), amoniac (NH 3), metan (CH 4), sare de masă (NaCl), bor (B), arsen (As). ), mercur (Hg). Când sunt eliberate în mediul extern, devin surse de poluare. În plus, un mediu chimic agresiv poate provoca distrugeri corozive ale structurilor centralelor geotermale.

În același timp, emisiile de poluanți de la GeoPP-uri sunt în medie mai mici decât de la centralele termice. De exemplu, emisiile dioxid de carbon pentru fiecare kilowatt-oră de energie electrică generată este de până la 380 g la GeoPP, 1042 g la centralele termice pe cărbune, 906 g la centralele pe petrol și 453 g la centralele pe gaz.

Apare întrebarea: ce să faci cu apa uzată? Dacă mineralizarea este scăzută, aceasta poate fi deversată în apele de suprafață după răcire. O altă modalitate este de a-l pompa înapoi în acvifer printr-un puț de injecție, care este de preferință și predominant utilizat în prezent.

Extracția apei termale din acvifere (precum și pomparea apei obișnuite) poate provoca tasări și mișcări ale solului, alte deformații ale straturilor geologice și micro-cutremure. Probabilitatea unor astfel de apariții este în general scăzută, deși cazuri individualeînregistrate (de exemplu, la GeoPP din Staufen im Breisgau în Germania).

Trebuie subliniat faptul că majoritatea GeoPP-urilor sunt situate în zone relativ slab populate și în țările lumii a treia, unde cerințele de mediu sunt mai puțin stricte decât în ​​țările dezvoltate. În plus, în acest moment numărul GeoPP-urilor și capacitățile acestora sunt relativ mici. Odată cu dezvoltarea la scară mai largă a energiei geotermale, riscurile de mediu pot crește și se pot multiplica.

Cât este energia Pământului?

Costurile de investiție pentru construcția sistemelor geotermale variază într-o gamă foarte largă - de la 200 la 5000 de dolari pe 1 kW de capacitate instalată, adică cele mai ieftine opțiuni sunt comparabile cu costul construirii unei centrale termice. Ele depind, în primul rând, de condițiile de apariție a apelor termale, de compoziția acestora și de proiectarea sistemului. Forarea la adâncimi mari, crearea unui sistem închis cu două puțuri și nevoia de purificare a apei pot crește costul de multe ori.

De exemplu, investițiile în crearea unui sistem de circulație petrotermală (PCS) sunt estimate la 1,6–4 mii de dolari pe 1 kW de capacitate instalată, ceea ce depășește costurile de construcție a unei centrale nucleare și este comparabilă cu costurile de construcție eoliene și centrale solare.

Avantajul economic evident al GeoTES este energia gratuită. Pentru comparație, în structura costurilor unei centrale termice în exploatare sau centrale nucleare, combustibilul reprezintă 50–80% sau chiar mai mult, în funcție de prețurile curente la energie. De aici un alt avantaj al sistemului geotermal: costurile de operare sunt mai stabile și mai previzibile, deoarece nu depind de condițiile externe ale prețului energiei. În general, costurile de funcționare ale centralelor geotermale sunt estimate la 2–10 cenți (60 copeici–3 ruble) per 1 kWh de putere produsă.

Al doilea element de cheltuială ca mărime după energie (și foarte semnificativ) este, de regulă, salariu personalul uzinei, care poate varia dramatic de la o țară și din regiune.

În medie, costul de 1 kWh de energie geotermală este comparabil cu cel pentru centralele termice (în condițiile rusești - aproximativ 1 rublă/1 kWh) și de zece ori mai mare decât costul de generare a energiei electrice la o centrală hidroelectrică (5-10). copeici/1 kWh ).

O parte din motivul costului ridicat este că, spre deosebire de centralele termice și hidraulice, centralele geotermale au o capacitate relativ mică. În plus, este necesar să se compare sistemele situate în aceeași regiune și în condiții similare. De exemplu, în Kamchatka, conform experților, 1 kWh de energie electrică geotermală costă de 2-3 ori mai puțin decât energia electrică produsă la centralele termice locale.

Indicatorii eficienței economice a unui sistem geotermal depind, de exemplu, de dacă apele uzate trebuie eliminate și în ce mod se face acest lucru și dacă utilizarea combinată a resursei este posibilă. Asa de, elemente chimice iar compușii extrași din apa termală pot oferi venituri suplimentare. Să ne amintim exemplul lui Larderello: producția chimică era primară acolo, iar utilizarea energiei geotermale a fost inițial de natură auxiliară.

Energia geotermală înainte

Energia geotermală se dezvoltă oarecum diferit decât eolian și solar. În prezent, depinde într-o măsură mult mai mare de natura resursei în sine, care variază puternic în funcție de regiune, iar cele mai mari concentrații sunt asociate cu zone înguste de anomalii geotermale, de obicei asociate cu zone de falii tectonice și vulcanism.

În plus, energia geotermală este mai puțin intensivă din punct de vedere tehnologic în comparație cu energia eoliană și, mai ales, cu energia solară: sistemele de stații geotermale sunt destul de simple.

În structura globală a producției globale de energie electrică, componenta geotermală reprezintă mai puțin de 1%, dar în unele regiuni și țări ponderea sa ajunge la 25–30%. Datorită conexiunii cu condițiile geologice, o parte semnificativă a capacității de energie geotermală este concentrată în țările lumii a treia, unde există trei grupuri de cea mai mare dezvoltare a industriei - insulele Asiei de Sud-Est, America Centrală și Africa de Est. Primele două regiuni sunt incluse în „centrul de foc a Pământului” din Pacific, a treia este legată de Rift-ul Africii de Est. Cel mai probabil, energia geotermală va continua să se dezvolte în aceste centuri. O perspectivă mai îndepărtată este dezvoltarea energiei petrotermale, folosind căldura straturilor pământului aflate la o adâncime de câțiva kilometri. Aceasta este o resursă aproape omniprezentă, dar extracția ei necesită costuri mari, astfel încât energia petrotermală se dezvoltă în primul rând în țările cele mai puternice din punct de vedere economic și tehnologic.

În general, având în vedere distribuția pe scară largă a resurselor geotermale și un nivel acceptabil de siguranță a mediului, există motive de a crede că energia geotermală are perspective bune de dezvoltare. Mai ales cu amenințarea tot mai mare a deficitului de resurse energetice tradiționale și creșterea prețurilor pentru acestea.

Din Kamchatka până în Caucaz

În Rusia, dezvoltarea energiei geotermale are o istorie destul de lungă, iar într-o serie de poziții ne aflăm printre liderii mondiali, deși ponderea energiei geotermale în bilanțul energetic global al țării uriașe este încă neglijabilă.

Două regiuni au devenit pionieri și centre pentru dezvoltarea energiei geotermale în Rusia - Kamchatka și Caucazul de Nord, iar dacă în primul caz vorbim în primul rând despre industria energiei electrice, atunci în al doilea - despre utilizarea energiei termice din apa termala.

În Caucazul de Nord - în Teritoriul Krasnodar, Cecenia, Daghestan - căldura apelor termale a fost folosită în scopuri energetice chiar înainte de Marele Război Patriotic. În anii 1980–1990, dezvoltarea energiei geotermale în regiune, din motive evidente, a stagnat și nu a ieșit încă din starea de stagnare. Cu toate acestea, alimentarea cu apă geotermală din Caucazul de Nord oferă căldură la aproximativ 500 de mii de oameni și, de exemplu, orașul Labinsk din Teritoriul Krasnodar, cu o populație de 60 de mii de oameni, este complet încălzit de ape geotermale.

În Kamchatka, istoria energiei geotermale este legată, în primul rând, de construcția GeoPP-urilor. Primele dintre ele, stațiile Pauzhetskaya și Paratunka care funcționează încă, au fost construite în anii 1965–1967, în timp ce Paratunka GeoPP cu o capacitate de 600 kW a devenit prima stație din lume cu un ciclu binar. Aceasta a fost dezvoltarea oamenilor de știință sovietici S.S. Kutateladze și A.M. Rosenfeld de la Institutul de Termofizică SB RAS, care în 1965 au primit un certificat de autor pentru extragerea energiei electrice din apă cu o temperatură de 70°C. Această tehnologie a devenit ulterior prototipul pentru peste 400 de GeoPP-uri binare din lume.

Capacitatea GeoPP Pauzhetskaya, pusă în funcțiune în 1966, a fost inițial de 5 MW și ulterior a fost mărită la 12 MW. În prezent, la stație se construiește o unitate binară, care își va crește capacitatea cu încă 2,5 MW.

Dezvoltarea energiei geotermale în URSS și Rusia a fost împiedicată de disponibilitatea surselor tradiționale de energie - petrol, gaze, cărbune, dar nu s-a oprit niciodată. Cele mai mari instalații de energie geotermală în acest moment sunt Verkhne-Mutnovskaya GeoPP cu o capacitate totală de unități de putere de 12 MW, puse în funcțiune în 1999, și Mutnovskaya GeoPP cu o capacitate de 50 MW (2002).

GeoPP-urile Mutnovskaya și Verkhne-Mutnovskaya sunt obiecte unice nu numai pentru Rusia, ci și la scară globală. Stațiile sunt situate la poalele vulcanului Mutnovsky, la o altitudine de 800 de metri deasupra nivelului mării, și funcționează în condiții climatice extreme, unde este iarnă timp de 9-10 luni pe an. Echipamentul GeoPP-urilor Mutnovsky, în prezent unul dintre cele mai moderne din lume, a fost creat în întregime la întreprinderile interne de inginerie energetică.

În prezent, ponderea stațiilor Mutnovsky în structura totală de consum de energie a centrului energetic Kamchatka Central este de 40%. Există planuri de creștere a capacității în următorii ani.

Mențiune specială trebuie făcută despre dezvoltările petrotermale din Rusia. Nu avem încă centre mari de foraj, dar avem tehnologii avansate de foraj la adâncimi mari (aproximativ 10 km), care nu au nici analogi în lume. Al lor dezvoltare ulterioară va reduce radical costurile de realizare a sistemelor petrotermale. Dezvoltatorii acestor tehnologii și proiecte sunt N. A. Gnatus, M. D. Khutorskoy (Institutul Geologic al Academiei Ruse de Științe), A. S. Nekrasov (Institutul de Prognoză Economică Națională al Academiei Ruse de Științe) și specialiști de la Uzina de Turbine Kaluga. În prezent, proiectul sistemului de circulație petrotermală din Rusia se află în stadiu experimental.

Energia geotermală are perspective în Rusia, deși sunt relativ îndepărtate: în acest moment potențialul este destul de mare și poziția energiei tradiționale este puternică. În același timp, într-o serie de zone îndepărtate ale țării, utilizarea energiei geotermale este profitabilă din punct de vedere economic și este deja solicitată. Acestea sunt teritorii cu potențial geoenergetic ridicat (Chukotka, Kamchatka, Insulele Kuril - partea rusă a „centrul de foc a Pământului”, munții din sudul Siberiei și Caucazul) și, în același timp, îndepărtate și deconectate de la centralizarea. surse de energie.

Probabil, în următoarele decenii, energia geotermală din țara noastră se va dezvolta tocmai în astfel de regiuni.

„Utilizarea energiei termice de calitate scăzută a pământului în sistemele cu pompe de căldură”

Vasiliev G.P., director științific al OJSC INSOLAR-INVEST, doctor în științe tehnice, președinte al Consiliului de administrație al OJSC INSOLAR-INVEST
N. V. Shilkin, inginer, NISF (Moscova)

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

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

Analiză zone posibile aplicarea în economia rusă a tehnologiilor de economisire a energiei folosind surse de energie netradiționale, arată că în Rusia cel mai promițător domeniu pentru implementarea lor sunt sistemele de susținere a vieții pentru clădiri. În același timp, utilizarea pe scară largă pare a fi o direcție foarte eficientă pentru introducerea tehnologiilor luate în considerare în practica construcțiilor casnice. sisteme de incalzire cu pompa de caldura (HST), folosind solul straturilor de suprafață ale Pământului ca sursă de căldură cu potențial scăzut accesibilă universal.

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

Spre deosebire de utilizarea „directă” a căldurii de calitate superioară (resurse hidrotermale), utilizarea căldurii de grad scăzut de la Pământ utilizarea pompelor de căldură este posibilă aproape peste tot. În prezent, aceasta este una dintre cele mai dinamice domenii de utilizare. surse de energie regenerabile netradiționale.

Căldura de grad scăzut a Pământului poate fi utilizat în diferite tipuri de clădiri și structuri în mai multe moduri: pentru încălzire, alimentare cu apă caldă, aer condiționat (răcire), căi de încălzire în timp de iarna an, pentru a preveni înghețarea, câmpurile de căldură pe stadioane deschise etc. În literatura tehnică engleză, astfel de sisteme sunt denumite „GHP” - „pompe de căldură geotermale”, pompe de caldura geotermale.

Caracteristicile climatice ale țărilor din Europa Centrală și de Nord, care, împreună cu SUA și Canada, sunt principalele zone de utilizare a căldurii de grad scăzut de pe Pământ, determină în principal nevoia de încălzire; răcire cu aer chiar și în perioada de vara Necesar relativ rar. Prin urmare, spre deosebire de SUA, pompe de căldurăîn țările europene funcționează în principal în regim de încălzire. ÎN S.U.A pompe de căldură sunt mai des folosite în sistemele de încălzire cu aer combinate cu ventilația, ceea ce permite atât încălzirea, cât și răcirea aerului exterior. În țările europene pompe de căldură utilizate de obicei în sistemele de încălzire a apei. Deoarece eficienta pompei de caldura crește pe măsură ce diferența de temperatură dintre evaporator și condensator scade; sistemele de încălzire prin pardoseală sunt adesea folosite pentru încălzirea clădirilor, în care un lichid de răcire circulă la o temperatură relativ scăzută (35–40 °C).

Majoritate pompe de căldurăîn Europa, concepute pentru a utiliza căldura de slabă calitate de la Pământ, sunt echipate cu compresoare cu acţionare electrică.

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

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

Căldura solului din straturile de suprafață ale Pământului, precum și căldura aerului de ventilație îndepărtat, este folosită ca sursă de energie termică cu potențial scăzut pentru evaporatoarele pompelor de căldură. Instalația pentru pregătirea alimentării cu apă caldă se află la subsolul clădirii. Acesta include următoarele elemente principale:

• pompe de căldură cu compresie de vapori (HPU);
• rezervoare de stocare a apei calde;
• sisteme de colectare a energiei termice de calitate scăzută a solului și a căldurii de grad scăzut a aerului de ventilație îndepărtat;
• pompe de circulatie, echipamente de control si masura

Elementul principal de schimb de căldură al sistemului de colectare a căldurii solului de calitate scăzută sunt schimbătoarele de căldură solului de tip coaxial vertical, situate în exterior, de-a lungul perimetrului clădirii. Aceste schimbătoare de căldură constau din 8 puțuri, fiecare cu adâncimea de 32 până la 35 m, situate în apropierea casei. Deoarece modul de funcționare al pompelor de căldură folosind căldura pământului iar caldura aerului evacuat este constanta, iar consumul de apa calda este variabil, sistemul de alimentare cu apa calda este echipat cu rezervoare de stocare.

Datele care evaluează nivelul global de utilizare a energiei termice cu potențial scăzut a Pământului prin pompe de căldură sunt prezentate în tabel.

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

Solul ca sursă de energie termică cu potențial scăzut

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

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

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

Pe măsură ce adâncimea crește, temperatura solului crește în funcție de gradientul geotermal (aproximativ 3 grade C la fiecare 100 m). Mărimea fluxului de căldură radiogenă care vine din interiorul pământului variază pentru diferite zone. Pentru Europa Centrală, această valoare este de 0,05–0,12 W/m2.

În perioada de exploatare, masa de sol situată în zona de influență termică a registrului conductelor schimbătorului de căldură din sol al sistemului de captare a căldurii din sol cu ​​potențial scăzut (sistemul de colectare a căldurii), ca urmare a modificărilor sezoniere ale parametrilor externi. clima, precum și sub influența sarcinilor operaționale asupra sistemului de colectare a căldurii, este de obicei supusă înghețului și dezghețării repetate. În acest caz, în mod natural, are loc o modificare a stării agregate a umidității conținute în porii solului și, în cazul general, atât în ​​faza lichidă, cât și în faza solidă și gazoasă simultan. Cu alte cuvinte, masa de sol a sistemului de colectare a căldurii, indiferent de starea în care se află (înghețat sau dezghețat), este un sistem eterogen polidispers trifazic complex, al cărui schelet este format dintr-un număr mare de particule solide de diferite forme și dimensiuni și pot fi fie rigide, fie și mobile, în funcție de faptul dacă particulele sunt strâns legate între ele sau dacă sunt separate una de cealaltă printr-o substanță în faza mobilă. Spațiile dintre particulele solide pot fi umplute cu umiditate mineralizată, gaz, abur și gheață sau ambele. Modelarea proceselor de transfer de căldură și masă care formează regimul termic al unui astfel de sistem multicomponent este o sarcină extrem de complexă, deoarece necesită luarea în considerare și descrierea matematică a diferitelor mecanisme de implementare a acestora: conductivitatea termică într-o particulă individuală, transferul de căldură din o particulă la alta la contactul lor, conductivitatea termică moleculară în mediu care umple golurile dintre particule, convecția aburului și a umidității conținute în spațiul porilor și multe altele.

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

În sistemele capilar-poroase, cum ar fi masa de sol a unui sistem de colectare a căldurii, prezența umidității în spațiul porilor are un efect vizibil asupra procesului de propagare a căldurii. Luarea corectă în considerare a acestei influențe astăzi este asociată cu dificultăți semnificative, care sunt asociate în primul rând cu lipsa unor idei clare despre natura distribuției fazelor solide, lichide și gazoase ale umidității într-o anumită structură a sistemului. Natura forțelor de legătură dintre umiditate și particulele scheletice și dependența formelor de legătură dintre umiditate și material de diverse etape umidificarea, mecanismul de mișcare a umidității în spațiul porilor.

Dacă există un gradient de temperatură în grosimea masei de sol, moleculele de vapori se deplasează în locuri cu un potențial de temperatură scăzut, dar, în același timp, sub influența forțelor gravitaționale, are loc un flux de umiditate direcționat opus în faza lichidă. În plus, regimul de temperatură al straturilor superioare ale solului este influențat de umiditatea precipitațiilor atmosferice, precum și de apa subterană.

Principalii factori sub influența cărora se formează regim de temperatură Sistemele masive de sol pentru colectarea căldurii solului cu potențial scăzut sunt prezentate în Fig. 2.

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

Tipuri de sisteme de utilizare a energiei termice cu potențial scăzut a Pământului

Schimbătoarele de căldură la sol se conectează echipamente cu pompa de caldura cu un masiv de sol. Pe lângă „extragerea” căldurii Pământului, schimbătoarele de căldură la sol pot fi folosite și pentru a acumula căldură (sau frig) într-o masă de sol.

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

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

Partea principală a sistemelor deschise sunt puțurile, care fac posibilă extragerea apei subterane din acvifere și returnarea apei înapoi în aceleași acvifere. De obicei, puțurile pereche sunt instalate în acest scop. O diagramă a unui astfel de sistem este prezentată în Fig. 3.

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

Avantajul sistemelor deschise este capacitatea de a obține cantități mari de energie termică la costuri relativ mici. Cu toate acestea, puțurile necesită întreținere. În plus, utilizarea unor astfel de sisteme nu este posibilă în toate domeniile. Principalele cerințe pentru sol și apele subterane sunt următoarele:

• permeabilitate suficientă a solului, permițând refacerea rezervelor de apă;
• Bună chimie a apelor subterane (de exemplu, conținut scăzut de fier) ​​pentru a evita problemele cu depunerile și coroziunea țevilor.

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

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

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

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

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

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

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

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

Schema de încălzire și alimentare cu apă caldă pentru o clădire rezidențială cu un singur apartament care utilizează o instalație de pompă de căldură cu un schimbător de căldură vertical la sol este prezentată în Fig. 5.

Orez. 5. Schema de încălzire și alimentare cu apă caldă a unei clădiri rezidențiale cu un singur apartament folosind o instalație de pompă de căldură cu un schimbător de căldură la sol vertical

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

• Schimbător de căldură în formă de U, format din două conducte paralele conectate în partea inferioară. Una sau două (mai puțin adesea trei) perechi de astfel de țevi sunt amplasate într-un puț. Avantajul acestei scheme este costul relativ scăzut de producție. Schimbătoarele de căldură dublu U sunt cel mai utilizat tip de schimbător de căldură vertical la sol în Europa.
• Schimbător de căldură coaxial (concentric). Cel mai simplu schimbător de căldură coaxial este format din două conducte de diametre diferite. O conductă de diametru mai mic este situată în interiorul unei alte conducte. Schimbătoarele de căldură coaxiale pot avea configurații mai complexe.

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

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

Sistemele cu schimbătoare de căldură la sol verticale pot fi utilizate pentru a furniza încălzire și răcire clădirilor de diferite dimensiuni. Pentru o clădire mică, un schimbător de căldură este suficient; pentru clădirile mari, poate fi necesară instalarea unui întreg grup de puțuri cu schimbătoare de căldură verticale. Cel mai mare număr de puțuri din lume este folosit în sistemul de alimentare cu încălzire și răcire al Colegiului Richard Stockton din SUA, în statul New Jersey. Schimbatoarele de caldura verticale ale acestui colegiu sunt amplasate in 400 de sonde cu o adancime de 130 m. In Europa cel mai mare număr puțurile (154 puțuri cu o adâncime de 70 m) sunt utilizate în sistemul de alimentare cu încălzire și răcire al biroului central al Controlului Traficului Aerian din Germania („Deutsche Flug-sicherung”).

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

Orez. 7. Diagrama schimbătoarelor de căldură la sol încorporate în piloții de fundație ai unei clădiri și secțiunea transversală a unui astfel de pilot

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

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

Orez. 8. Schema unei puțuri de tip „puț de coloană în picioare”.

În mod obișnuit, puțurile de acest tip sunt folosite și pentru a furniza apă potabilă clădirilor.. Cu toate acestea, un astfel de sistem poate funcționa eficient doar în soluri care asigură o alimentare constantă cu apă fântânii, ceea ce împiedică înghețarea acesteia. Dacă acviferul se află prea adânc, va fi necesară o pompă puternică pentru funcționarea normală a sistemului, ceea ce necesită un consum crescut de energie. Adâncimea mare a puțului determină costul destul de ridicat al unor astfel de sisteme, astfel încât acestea nu sunt utilizate pentru alimentarea cu căldură și rece a clădirilor mici. În prezent, există mai multe astfel de sisteme care funcționează în lume în SUA, Germania și Europa.

Una dintre direcțiile promițătoare este utilizarea apei din mine și tuneluri ca sursă de energie termică cu potențial scăzut. Temperatura acestei ape este constantă pe tot parcursul anului. Apa din mine și tuneluri este ușor accesibilă.

„Durabilitatea” sistemelor de utilizare a căldurii de calitate scăzută de pe Pământ

La operarea unui schimbător de căldură la sol, poate apărea o situație când, în timpul sezonul de incalzire temperatura solului din apropierea schimbătorului de căldură la sol scade, iar vara solul nu are timp să se încălzească la temperatura inițială - potențialul său de temperatură scade. Consumul de energie în următorul sezon de încălzire face ca temperatura solului să scadă și mai mult, iar potențialul său de temperatură este și mai redus. Acest lucru forțează la proiectarea sistemelor utilizarea căldurii de slabă calitate a Pământului luați în considerare problema „sustenabilității” unor astfel de sisteme. Resursele energetice sunt adesea folosite foarte intens pentru a reduce perioada de amortizare a echipamentelor, ceea ce poate duce la epuizarea rapidă a acestora. Prin urmare, este necesar să se mențină un nivel de producție de energie care să permită exploatarea sursei de resurse energetice pentru o perioadă lungă de timp. Această capacitate a sistemelor de a menține nivelul necesar de producție de energie termică pe o perioadă lungă de timp se numește „durabilitate”. Pentru sistemele cu potenţial scăzut Căldura Pământului se dă următoarea definiție a durabilității: „Pentru fiecare sistem de utilizare a căldurii de slabă calitate a Pământului și pentru fiecare mod de funcționare al acestui sistem, există un anumit nivel maxim de producție de energie; Producția de energie sub acest nivel poate fi menținută o perioadă lungă de timp (100-300 de ani).

Condus in OJSC „INSOLAR-INVEST” studiile au arătat că consumul de energie termică din masa solului la sfârșitul sezonului de încălzire determină o scădere a temperaturii solului în apropierea registrului conductelor sistemului de captare a căldurii, ceea ce în condițiile solului și climatice ale majorității teritoriului a Rusiei nu are timp să fie compensat în perioada de vară a anului, iar până la începutul următorului sezon de încălzire, solul pleacă cu potențial de temperatură redus. Consumul de energie termică în următorul sezon de încălzire determină o scădere suplimentară a temperaturii solului, iar până la începutul celui de-al treilea sezon de încălzire potenţialul său de temperatură diferă şi mai mult de cel natural. Și așa mai departe. Cu toate acestea, anvelopele influenței termice a funcționării pe termen lung a sistemului de captare a căldurii asupra regimului natural de temperatură al solului au un caracter exponențial pronunțat, iar până în al cincilea an de funcționare solul ajunge la un nou regim, apropiat de periodic, adică, începând cu al cincilea an de funcționare, consumul pe termen lung de energie termică din sistemele de captare a căldurii în masa solului este însoțit de modificări periodice ale temperaturii acestuia. Astfel, la proiectare sisteme de incalzire cu pompa de caldura Pare necesar să se țină cont de scăderea temperaturilor masei de sol cauzată de mulți ani de funcționare a sistemului de captare a căldurii și să se utilizeze ca parametri de proiectare temperaturile masei de sol preconizate pentru al 5-lea an de funcționare a TST.

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

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

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

Orez. 9. Scheme de distribuție a temperaturii în masa solului în jurul unui schimbător de căldură vertical la sol la începutul și sfârșitul primului sezon de încălzire

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

Atunci când funcționează o școală rurală în regiunea Yaroslavl, echipată sistem pompa de caldura utilizând un schimbător de căldură la sol vertical, valorile medii de îndepărtare a căldurii specifice au fost la nivelul de 120–190 W/liniar. m lungimea schimbătorului de căldură.

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

La o distanță de 0,5 și 1 m de puțul principal au fost forate două puțuri suplimentare, în care au fost instalați senzori de temperatură la adâncimea de 1, 2, 5, 10, 20, 35, 50, 65, 85 și 105 m, după care puțurile au fost umplute cu amestec de argilă-ciment. Temperaturile au fost măsurate la fiecare treizeci de minute. Pe lângă temperatura solului, au fost înregistrați și alți parametri: viteza lichidului de răcire, consumul de energie de către antrenarea compresorului pompei de căldură, temperatura aerului etc.

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

În toamna anului 1996, la zece ani după ce sistemul a început să funcționeze, măsurătorile au fost reluate. Aceste măsurători au arătat că temperatura solului nu s-a schimbat semnificativ. În anii următori, s-au înregistrat ușoare fluctuații ale temperaturii solului cu 0,5 grade C în funcție de sarcina anuală de încălzire. Astfel, sistemul a ajuns într-un mod cvasi-staționar după primii câțiva ani de funcționare.

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

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

Astfel, sistemele de încălzire și răcire pentru clădirile care utilizează căldură de calitate scăzută de la Pământ reprezintă o sursă de încredere de energie care poate fi folosită peste tot. Această sursă poate fi folosită destul de mult timp și poate fi reînnoită la sfârșitul perioadei de funcționare.

Literatură

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

2. Vasiliev G.P., Krundyshev N.S. Școală rurală eficientă energetic din regiunea Yaroslavl. ABOK nr. 5, 2002

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

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

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

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

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

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

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

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

11. Vasiliev G.P. Clădiri eficiente energetic cu sisteme de încălzire cu pompă de căldură. Revista Locuințe și Utilități Publice, Nr. 12, 2002

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

13. Clădire rezidențială eficientă din punct de vedere energetic din Moscova. ABOK nr. 4, 1999

14. Vasiliev G.P. Clădire rezidențială experimentală eficientă din punct de vedere energetic din microdistrictul Nikulino-2. ABOK nr. 4, 2002

Temperatura solului se schimbă continuu cu adâncimea și timpul. Depinde de o serie de factori, dintre care mulți sunt greu de contabilizat. Acestea din urmă, de exemplu, includ: natura vegetației, expunerea pantei la punctele cardinale, umbrirea, stratul de zăpadă, natura solurilor în sine, prezența apelor supra-permafrost etc. Cu toate acestea, temperatura solului , atât ca valoare, cât și ca natura distribuției, rămâne destul de consistentă de la an la an stabilă, iar influența decisivă rămâne aici cu temperatura aerului.

Temperatura solului la diferite adâncimi iar în diferite perioade ale anului se pot obține prin măsurători directe în puțuri termice, care se instalează în timpul procesului de sondaj. Dar această metodă necesită observații pe termen lung și cheltuieli semnificative, ceea ce nu este întotdeauna justificat. Datele obținute de la una sau două sonde sunt distribuite pe suprafețe și lungimi mari, distorsionând semnificativ realitatea, astfel încât datele calculate privind temperatura solului se dovedesc în multe cazuri a fi mai fiabile.

Temperatura solului de permafrost la orice adâncime (până la 10 m de la suprafață) și pentru orice perioadă a anului poate fi determinată prin formula:

tr = mt°, (3,7)

unde z este adâncimea măsurată din VGM, m;

tr – temperatura solului la adâncimea z, în grade.

τr – timp egal cu un an (8760 ore);

τ - timpul numărat înainte (până la 1 ianuarie) din momentul începerii înghețului de toamnă a solului până la momentul pentru care se măsoară temperatura, în ore;

exp x – exponent (funcția exponențială exp este luată din tabele);

m – coeficient în funcție de perioada anului (pentru perioada octombrie - mai m = 1,5-0,05z, iar pentru perioada iunie-septembrie m = 1)

Cel mai temperatura scazuta la o anumită adâncime va fi atunci când cosinusul din formula (3.7) devine egal cu -1, adică temperatura minimă a solului pentru anul la o anumită adâncime va fi

tr min = (1,5-0,05z) t°, (3,8)

Temperatura maximă a solului la adâncimea z va fi atunci când cosinusul capătă valoarea egal cu unu acestea.

tr max = t°, (3,9)

În toate cele trei formule, valoarea capacității termice volumetrice C m ar trebui calculată pentru temperatura solului t° folosind formula (3.10).

C 1 m = 1/W, (3,10)

Temperatura solului în stratul de dezgheț sezonier poate fi determinată și prin calcul, ținând cont de faptul că modificarea temperaturii în acest strat este destul de exact aproximată printr-o dependență liniară la următorii gradienți de temperatură (Tabelul 3.1).

După ce s-a calculat folosind una dintre formulele (3.8) – (3.9) temperatura solului la nivelul VGM, i.e. punând Z=0 în formule, apoi folosind Tabelul 3.1 determinăm temperatura solului la o adâncime dată în stratul de dezgheț sezonier. În straturile superioare ale solului, până la aproximativ 1 m de suprafață, natura fluctuațiilor de temperatură este foarte complexă.

Tabelul 3.1

Gradient de temperatură în stratul de dezgheț sezonier la o adâncime sub 1 m de suprafața solului

Notă. Semnul gradientului este afișat în direcția către suprafața zilei.

Pentru a obține temperatura estimată a solului într-un strat de un metru de la suprafață, puteți proceda după cum urmează. Calculați temperatura la o adâncime de 1 m și temperatura suprafeței de zi a solului și apoi, interpolând din aceste două valori, determinați temperatura la o adâncime dată.

Temperatura de pe suprafața solului t p în sezonul rece al anului poate fi luată egală cu temperatura aerului. În timpul verii:

t p = 2+1,15 t c, (3,11)

unde t p este temperatura suprafeței în grade.

t in – temperatura aerului în grade.

Temperatura solului în zona de permafrost fără fuziune se calculează diferit decât la fuziune. În practică, putem presupune că temperatura la nivelul VGM va fi egală cu 0°C pe tot parcursul anului. Temperatura calculată a solului permafrost la o adâncime dată poate fi determinată prin interpolare, presupunând că aceasta se modifică la adâncime conform unei legi liniare de la t° la o adâncime de 10 m până la 0°C la adâncimea VGM. Temperatura din stratul dezghețat ht poate fi luată de la 0,5 la 1,5°C.

În stratul de îngheț sezonier h p temperatura solului poate fi calculată în același mod ca și pentru stratul de dezgheț sezonier al zonei de permafrost de fuziune, adică. în stratul h p – 1 m de-a lungul gradientului de temperatură (Tabelul 3.1), având în vedere temperatura la adâncimea h p egală cu 0°C în sezonul rece și 1°C vara. În stratul superior de metru al solului, temperatura este determinată prin interpolare între temperatura de la o adâncime de 1 m și temperatura de la suprafață.