دمای زمین در عمق 2 کیلومتری. دمای عمیق زمین

یکی از بهترین و منطقی ترین روش ها در ساخت گلخانه های سرمایه ای، گلخانه قمقمه زیرزمینی است.
استفاده از این واقعیت پایداری دمای زمین در عمق در ساخت گلخانه باعث صرفه جویی فوق العاده ای در هزینه های گرمایش در فصل سرد می شود، مراقبت را تسهیل می کند، ریزاقلیم را پایدارتر می کند..
چنین گلخانه ای در شدیدترین یخبندان کار می کند، به شما امکان می دهد سبزیجات تولید کنید، گل ها را در تمام طول سال رشد دهید.
یک گلخانه دفن شده با تجهیزات مناسب امکان رشد محصولات گرما دوست جنوب را فراهم می کند. عملا هیچ محدودیتی وجود ندارد. مرکبات و حتی آناناس می توانند در گلخانه احساس خوبی داشته باشند.
اما برای اینکه همه چیز در عمل به درستی عمل کند، پیروی از فناوری های آزمایش شده با زمان که توسط آن گلخانه های زیرزمینی ساخته شده اند، ضروری است. از این گذشته ، این ایده جدید نیست ، حتی در زمان تزار در روسیه ، گلخانه های مدفون محصول آناناس را به ارمغان می آورد ، که بازرگانان مبتکر برای فروش به اروپا صادر می کردند.
بنا به دلایلی، ساخت چنین گلخانه هایی در کشور ما توزیع گسترده ای پیدا نکرده است، به طور کلی، به سادگی فراموش شده است، اگرچه طراحی فقط برای آب و هوای ما ایده آل است.
احتمالاً نیاز به حفر گودال عمیق و ریختن پی در اینجا نقش داشته است. ساخت یک گلخانه مدفون بسیار گران است، از گلخانه ای که با پلی اتیلن پوشانده شده است فاصله دارد، اما بازده گلخانه بسیار بیشتر است.
از عمق یافتن به زمین، نور کلی داخلی از بین نمی رود، این ممکن است عجیب به نظر برسد، اما در برخی موارد اشباع نور حتی بیشتر از گلخانه های کلاسیک است.
غیرممکن است که به استحکام و قابلیت اطمینان سازه اشاره نکنیم، به طور غیرقابل مقایسه ای قوی تر از حد معمول است، تحمل تندبادهای طوفانی باد آسان تر است، به خوبی در برابر تگرگ مقاومت می کند و انسداد برف مانعی نخواهد بود.

1. گودال

ایجاد یک گلخانه با حفر گودال پایه آغاز می شود. برای استفاده از گرمای زمین برای گرم کردن حجم داخلی، گلخانه باید به اندازه کافی عمیق شود. هر چه زمین عمیق تر گرم تر می شود.
دما تقریباً در طول سال در فاصله 2-2.5 متری از سطح تغییر نمی کند. در عمق 1 متر دمای خاک بیشتر در نوسان است، اما در زمستان مقدار آن مثبت می ماند، معمولاً در منطقه میانی بسته به فصل دما 4-10 درجه سانتیگراد است.
گلخانه مدفون در یک فصل ساخته می شود. یعنی در زمستان می‌تواند کار کند و درآمدزایی کند. ساخت و ساز ارزان نیست، اما با استفاده از ذکاوت و مصالح مصالحه، می توان با ساختن نوعی گزینه اقتصادی برای گلخانه، با شروع با یک گودال پایه، به معنای واقعی کلمه یک مرتبه بزرگی صرفه جویی کرد.
به عنوان مثال، بدون دخالت تجهیزات ساخت و ساز انجام دهید. اگرچه زمان برترین بخش کار - حفر گودال - البته بهتر است به بیل مکانیکی بدهید. برداشتن دستی چنین حجمی از زمین دشوار و زمان بر است.
عمق گودال حفاری باید حداقل دو متر باشد. در چنین عمقی، زمین شروع به تقسیم گرمای خود می کند و مانند نوعی قمقمه کار می کند. اگر عمق کمتر باشد، در اصل ایده کار خواهد کرد، اما به طور قابل توجهی کارایی کمتری دارد. بنابراین توصیه می شود برای تعمیق گلخانه آینده از هیچ تلاش و هزینه ای دریغ نکنید.
گلخانه های زیرزمینی می توانند هر طولی داشته باشند، اما بهتر است عرض را در 5 متر نگه دارید، اگر عرض بیشتر باشد، ویژگی های کیفی برای گرمایش و انعکاس نور بدتر می شود.
در کناره های افق، گلخانه های زیرزمینی باید مانند گلخانه ها و گلخانه های معمولی از شرق به غرب جهت گیری شوند، یعنی یکی از اضلاع رو به جنوب باشد. در این موقعیت، گیاهان دریافت خواهند کرد بیشترین مقدارانرژی خورشیدی.

2. دیوارها و سقف

در امتداد محیط گودال، پایه ریخته می شود یا بلوک ها گذاشته می شود. فونداسیون به عنوان پایه ای برای دیوارها و قاب سازه عمل می کند. دیوارها بهتر است از موادی با ویژگی های عایق حرارتی خوب ساخته شوند، ترموبلوک ها گزینه ای عالی هستند.

قاب سقف اغلب از چوب، از میله های آغشته به مواد ضد عفونی کننده ساخته شده است. ساختار سقف معمولاً شیروانی مستقیم است. یک تیر پشته در مرکز سازه ثابت شده است؛ برای این، تکیه گاه های مرکزی در تمام طول گلخانه روی زمین نصب می شود.

تیرهای پشته و دیوارها توسط یک ردیف جرز به هم متصل شده اند. قاب را می توان بدون تکیه گاه های بالا ساخت. آنها با تیرهای کوچک جایگزین می شوند که روی تیرهای عرضی قرار می گیرند که طرف مقابل گلخانه را به هم متصل می کنند - این طراحی فضای داخلی را آزادتر می کند.

به عنوان پوشش سقف، بهتر است از پلی کربنات سلولی استفاده کنید - یک ماده مدرن محبوب. فاصله بین تیرها در طول ساخت و ساز با عرض ورق های پلی کربنات تنظیم می شود. کار با مواد راحت است. پوشش با تعداد اتصالات کمی به دست می آید، زیرا ورق ها در طول 12 متر تولید می شوند.

آنها با پیچ های خودکار به قاب وصل می شوند، بهتر است آنها را با یک کلاه به شکل واشر انتخاب کنید. برای جلوگیری از ترک خوردن ورق، باید سوراخی با قطر مناسب در زیر هر پیچ خودکار با مته ایجاد شود. با یک پیچ گوشتی یا یک مته معمولی با مته فیلیپس، کار لعاب بسیار سریع انجام می شود. برای جلوگیری از شکاف، خوب است که تیرها را در امتداد بالا با یک درزگیر ساخته شده از لاستیک نرم یا مواد مناسب دیگر از قبل قرار دهید و تنها پس از آن ورق ها را پیچ کنید. قله سقف در امتداد خط الراس باید با عایق نرم گذاشته شود و با نوعی گوشه فشرده شود: پلاستیک، قلع یا مواد مناسب دیگر.

برای عایق حرارتی خوب، سقف گاهی اوقات با دو لایه پلی کربنات ساخته می شود. اگر چه شفافیت حدود 10٪ کاهش می یابد، اما این توسط عملکرد عالی عایق حرارتی پوشش داده می شود. لازم به ذکر است که برف روی چنین سقفی ذوب نمی شود. بنابراین شیب باید با زاویه کافی حداقل 30 درجه باشد تا برف روی سقف جمع نشود. علاوه بر این، یک ویبراتور برقی برای تکان دادن نصب شده است که در صورت انباشته شدن برف سقف را نجات می دهد.

شیشه دوجداره به دو صورت انجام می شود:

یک پروفیل ویژه بین دو ورق قرار داده شده است، ورق ها از بالا به قاب متصل می شوند.

ابتدا لایه زیرین لعاب از داخل و به قسمت زیرین تیرها به قاب وصل می شود. سقف طبق معمول از بالا با لایه دوم پوشانده شده است.

پس از اتمام کار، مطلوب است که تمام اتصالات را با نوار چسب بچسبانید. سقف تمام شده بسیار چشمگیر به نظر می رسد: بدون اتصالات غیر ضروری، صاف، بدون قطعات برجسته.

3. گرم کردن و گرم کردن

عایق کاری دیوار به شرح زیر انجام می شود. ابتدا باید تمام درزها و درزهای دیوار را با یک محلول به دقت بپوشانید، در اینجا نیز می توانید اعمال کنید. فوم نصب. قسمت داخلی دیوارها با یک فیلم عایق حرارتی پوشانده شده است.

در مناطق سردسیر کشور بهتر است از فیلم ضخیم فویل استفاده شود که دیوار را با یک لایه دولایه بپوشاند.

دمای عمق خاک گلخانه بالاتر از صفر اما سردتر از دمای هوای مورد نیاز برای رشد گیاه است. لایه بالایی توسط پرتوهای خورشید و هوای گلخانه گرم می شود، اما هنوز خاک گرما را از بین می برد، بنابراین، فناوری "طبقه گرم" اغلب در گلخانه های زیرزمینی استفاده می شود: عنصر گرمایش - یک کابل برق - توسط یک کوره فلزی محافظت می شود یا با بتن ریخته می شود.

در حالت دوم، خاک بسترها را روی بتن می ریزند یا سبزی ها را در گلدان ها و گلدان ها پرورش می دهند.

استفاده از گرمایش از کف می تواند برای گرم کردن کل گلخانه در صورت وجود توان کافی کافی باشد. اما استفاده از گرمایش ترکیبی برای گیاهان کارآمدتر و راحت تر است: گرمایش از کف + گرمایش هوا. برای رشد خوب، آنها به دمای هوای 25-35 درجه در دمای زمین حدود 25 درجه سانتیگراد نیاز دارند.

نتیجه

البته، ساخت یک گلخانه مدفون هزینه بیشتری خواهد داشت و تلاش بیشتری نسبت به ساخت یک گلخانه مشابه با طرح معمولی لازم است. اما وجوه سرمایه گذاری شده در قمقمه گلخانه ای در طول زمان توجیه می شود.

اول اینکه باعث صرفه جویی در انرژی در گرمایش می شود. مهم نیست چقدر گرم می شود زمان زمستانیک گلخانه معمولی زمینی، همیشه گرانتر و دشوارتر از روش گرمایش مشابه در گلخانه زیرزمینی خواهد بود. دوم، صرفه جویی در روشنایی. عایق حرارتی فویل دیوارها با انعکاس نور، روشنایی را دو برابر می کند. ریزاقلیم در گلخانه های عمیق در زمستان برای گیاهان مطلوب تر خواهد بود که مطمئناً بر عملکرد تأثیر می گذارد. نهال ها به راحتی ریشه می گیرند، گیاهان لطیف احساس خوبی خواهند داشت. چنین گلخانه ای عملکرد پایدار و بالا هر گیاهی را در تمام طول سال تضمین می کند.

خانه ای را تصور کنید که همیشه در دمایی راحت است و هیچ سیستم گرمایشی یا سرمایشی در آن دیده نمی شود. این سیستم به طور موثر کار می کند، اما نیازی به تعمیر و نگهداری پیچیده یا دانش خاصی از صاحبان ندارد.

هوای تازه، صدای جیر جیر پرندگان و بازی تنبلی باد با برگ های درختان را می شنوید. خانه از زمین انرژی می گیرد، مانند برگ هایی که از ریشه انرژی می گیرند. عکس عالی، اینطور نیست؟

سیستم های گرمایش و سرمایش زمین گرمایی این امر را به واقعیت تبدیل می کنند. سیستم HVAC زمین گرمایی (گرمایش، تهویه و تهویه مطبوع) از دمای زمین برای تامین گرمایش در زمستان و سرمایش در تابستان استفاده می کند.

گرمایش و سرمایش زمین گرمایی چگونه کار می کند

دمای محیط با فصول تغییر می کند، اما دمای زیر زمین به دلیل خاصیت عایق بودن زمین تغییر چندانی نمی کند. در عمق 1.5-2 متری، دما در تمام طول سال نسبتا ثابت می ماند. یک سیستم زمین گرمایی معمولاً از تجهیزات پردازش داخلی، یک سیستم لوله زیرزمینی به نام حلقه زیرزمینی و/یا یک پمپ گردش آب تشکیل شده است. این سیستم از دمای ثابت زمین برای تامین انرژی "پاک و رایگان" استفاده می کند.

(مفهوم سیستم NHC زمین گرمایی را با "انرژی زمین گرمایی" اشتباه نگیرید - فرآیندی که در آن الکتریسیته مستقیماً از گرمای زمین تولید می شود. در مورد دوم، از نوع متفاوتی از تجهیزات و سایر فرآیندها استفاده می شود. که معمولاً حرارت دادن آب تا نقطه جوش است.)

لوله هایی که حلقه زیرزمینی را تشکیل می دهند معمولاً از پلی اتیلن ساخته شده اند و بسته به نوع زمین می توانند به صورت افقی یا عمودی در زیر زمین قرار بگیرند. اگر آبخوان در دسترس باشد، مهندسان می توانند با حفر چاه در سطح آب، یک سیستم "حلقه باز" طراحی کنند. آب به بیرون پمپ می شود، از یک مبدل حرارتی عبور می کند و سپس از طریق "تزریق مجدد" به همان آبخوان تزریق می شود.

در زمستان، آب با عبور از یک حلقه زیرزمینی، گرمای زمین را جذب می کند. تجهیزات داخلی باعث افزایش بیشتر دما و توزیع آن در سراسر ساختمان می شود. مثل یک کولر گازی است که برعکس کار می کند. در طول تابستان، یک سیستم NWC زمین گرمایی آب گرم را از ساختمان می‌کشد و آن را از طریق یک حلقه/پمپ زیرزمینی به چاه تزریق مجدد می‌برد، از آنجا آب وارد زمین/آبخوان خنک‌تر می‌شود.

بر خلاف سیستم های گرمایش و سرمایش معمولی، سیستم های تهویه مطبوع زمین گرمایی از سوخت های فسیلی برای تولید گرما استفاده نمی کنند. آنها به سادگی گرما را از زمین می گیرند. به طور معمول، برق فقط برای راه اندازی فن، کمپرسور و پمپ استفاده می شود.

سه جزء اصلی در سیستم گرمایش و سرمایش زمین گرمایی وجود دارد: یک پمپ حرارتی، یک سیال تبادل حرارتی (سیستم باز یا بسته) و یک سیستم تامین هوا (سیستم لوله).

برای پمپ های حرارتی زمین گرمایی، و همچنین برای سایر انواع پمپ های حرارتی، نسبت عملکرد مفید آنها به انرژی صرف شده برای این عمل (EFFICIENCY) اندازه گیری شد. اکثر سیستم های پمپ حرارتی زمین گرمایی دارای راندمان 3.0 تا 5.0 هستند. این بدان معناست که سیستم یک واحد انرژی را به 3-5 واحد گرما تبدیل می کند.

سیستم های زمین گرمایی نیازی به تعمیر و نگهداری پیچیده ندارند. با نصب صحیح، که بسیار مهم است، حلقه زیرزمینی می تواند برای چندین نسل به درستی خدمت کند. فن، کمپرسور و پمپ در داخل خانه قرار دارند و در برابر تغییرات آب و هوایی محافظت می شوند، بنابراین می توانند سال ها، اغلب ده ها سال دوام بیاورند. بررسی های دوره ای معمول، تعویض به موقع فیلتر و تمیز کردن سالانه کویل تنها تعمیر و نگهداری مورد نیاز است.

تجربه در استفاده از سیستم های NVC زمین گرمایی

سیستم های NVC زمین گرمایی بیش از 60 سال است که در سراسر جهان مورد استفاده قرار می گیرند. آنها با طبیعت کار می کنند، نه بر ضد آن، و گازهای گلخانه ای منتشر نمی کنند (همانطور که قبلا ذکر شد، آنها از برق کمتری استفاده می کنند زیرا از دمای ثابت زمین استفاده می کنند).

سیستم‌های NVC زمین گرمایی به‌عنوان بخشی از جنبش رو به رشد ساختمان‌های سبز به طور فزاینده‌ای به ویژگی‌های خانه‌های سبز تبدیل می‌شوند. پروژه های سبز 20 درصد از کل خانه های ساخته شده در ایالات متحده را در سال گذشته تشکیل می دهند. مقاله ای در وال استریت ژورنال می گوید که تا سال 2016 بودجه ساختمان سبز از 36 میلیارد دلار در سال به 114 میلیارد دلار خواهد رسید. این 30 تا 40 درصد کل بازار املاک و مستغلات را تشکیل می دهد.

اما بسیاری از اطلاعات در مورد گرمایش و سرمایش زمین گرمایی بر اساس داده های قدیمی یا افسانه های غیر قابل اثبات است.

از بین بردن افسانه ها در مورد سیستم های NWC زمین گرمایی

1. سیستم های NVC زمین گرمایی یک فناوری تجدیدپذیر نیستند زیرا از برق استفاده می کنند.

واقعیت: سیستم های تهویه مطبوع زمین گرمایی تنها از یک واحد برق برای تولید حداکثر پنج واحد سرمایش یا گرمایش استفاده می کنند.

2. انرژی خورشیدی و انرژی باد در مقایسه با سیستم های NVC زمین گرمایی، فناوری های تجدیدپذیر مطلوب تری هستند.

واقعیت: سیستم‌های NVC زمین گرمایی برای یک دلار، چهار برابر کیلووات در ساعت بیشتر از انرژی خورشیدی یا بادی برای همان دلار تولید می‌کنند. البته این فناوری ها می توانند نقش مهمی برای محیط زیست داشته باشند، اما سیستم NVC زمین گرمایی اغلب کارآمدترین و به روش اقتصادیکاهش اثرات زیست محیطی

3. سیستم NVC زمین گرمایی به فضای زیادی برای قرار دادن لوله های پلی اتیلن حلقه زیرزمینی نیاز دارد.

واقعیت: بسته به زمین، حلقه زیرزمینی را می توان به صورت عمودی قرار داد، به این معنی که یک حلقه کوچک سطح زمین. اگر آبخوان در دسترس باشد، تنها چند فوت مربع سطح مورد نیاز است. توجه داشته باشید که آب پس از عبور از مبدل حرارتی به همان سفره ای که از آن برداشت شده است باز می گردد. بنابراین، آب روان نیست و آبخوان را آلوده نمی کند.

4. پمپ های حرارتی زمین گرمایی HVK دارای نویز هستند.

واقعیت: سیستم ها بسیار بی صدا هستند و هیچ تجهیزاتی در بیرون وجود ندارد تا مزاحم همسایه ها نشود.

5. سیستم های زمین گرمایی در نهایت فرسوده می شوند.

واقعیت: حلقه های زیرزمینی می توانند برای نسل ها دوام بیاورند. تجهیزات تبادل حرارت معمولاً برای چندین دهه دوام می آورند زیرا در داخل خانه محافظت می شوند. هنگامی که زمان نیاز به تعویض تجهیزات فرا می رسد، هزینه چنین جایگزینی بسیار کمتر از یک سیستم جدید زمین گرمایی است، زیرا حلقه و چاه زیرزمینی گران ترین قطعات آن هستند. راه حل های فنی جدید مشکل حفظ گرما در زمین را برطرف می کند، بنابراین سیستم می تواند دما را در مقادیر نامحدود مبادله کند. مواردی از سیستم‌های محاسبه‌شده اشتباه در گذشته وجود داشته است که در واقع زمین را بیش از حد گرم کرده یا سرد کرده‌اند تا جایی که دیگر تفاوت دمایی لازم برای کارکرد سیستم وجود نداشته باشد.

6. سیستم های تهویه مطبوع زمین گرمایی فقط برای گرمایش کار می کنند.

واقعیت: آنها به همان اندازه برای خنک کردن کار می کنند و می توانند طوری طراحی شوند که نیازی به منبع گرمای پشتیبان اضافی نباشد. اگرچه برخی از مشتریان تصمیم می گیرند که داشتن یک سیستم پشتیبان کوچک برای سردترین زمان ها مقرون به صرفه تر است. این بدان معنی است که حلقه زیرزمینی آنها کوچکتر و در نتیجه ارزانتر خواهد بود.

7. سیستم های تهویه مطبوع زمین گرمایی نمی توانند به طور همزمان آب خانگی، آب استخر را گرم کنند و خانه را گرم کنند.

واقعیت: سیستم ها را می توان به گونه ای طراحی کرد که عملکردهای زیادی را همزمان انجام دهد.

8. سیستم های NHC زمین گرمایی زمین را با مبردها آلوده می کنند.

واقعیت: اکثر سیستم ها فقط از آب در لولاها استفاده می کنند.

9. سیستم های NWC زمین گرمایی آب زیادی مصرف می کنند.

واقعیت: سیستم های زمین گرمایی در واقع آب مصرف نمی کنند. اگر از آب های زیرزمینی برای تبادل دما استفاده شود، تمام آب به همان سفره آب باز می گردد. در گذشته، واقعاً از سیستم‌هایی استفاده می‌شد که آب را پس از عبور از مبدل حرارتی هدر می‌دادند، اما امروزه به ندرت از چنین سیستم‌هایی استفاده می‌شود. با نگاهی تجاری به موضوع، سیستم‌های HC زمین گرمایی در واقع میلیون‌ها لیتر آبی را که در سیستم‌های سنتی تبخیر می‌شد، صرفه‌جویی می‌کنند.

10. فناوری NVC زمین گرمایی بدون مشوق های مالیاتی دولتی و منطقه ای از نظر مالی امکان پذیر نیست.

واقعیت: مشوق‌های دولتی و منطقه‌ای معمولاً 30 تا 60 درصد از هزینه کل یک سیستم زمین گرمایی را تشکیل می‌دهند که اغلب می‌تواند قیمت اولیه را به قیمت تجهیزات معمولی کاهش دهد. سیستم های استاندارد هوای HVAC تقریباً 3000 دلار به ازای هر تن گرما یا سرما هزینه دارند (منازل معمولاً از یک تا پنج تن استفاده می کنند). قیمت سیستم های NVC زمین گرمایی از حدود 5000 دلار در هر تن تا 8000 تا 9000 دلار متغیر است. با این حال، روش‌های نصب جدید به طور قابل توجهی هزینه‌ها را کاهش می‌دهد، تا قیمت سیستم‌های معمولی.

صرفه جویی در هزینه نیز می تواند از طریق تخفیف در تجهیزات برای استفاده عمومی یا تجاری، یا حتی سفارشات بزرگ برای خانه (به ویژه از مارک های بزرگ مانند Bosch، Carrier و Trane) حاصل شود. نصب حلقه های باز با استفاده از پمپ و چاه تزریق مجدد ارزان تر از سیستم های بسته است.

منبع: energyblog.nationalgeographic.com

شرح:

برخلاف استفاده مستقیم از گرمای زمین گرمایی با پتانسیل بالا (منابع گرمابی)، استفاده از خاک لایه های سطحی زمین به عنوان منبع کم پتانسیل انرژی حرارتیبرای سیستم های تامین حرارت پمپ حرارتی زمین گرمایی (GTST) تقریبا در همه جا امکان پذیر است. در حال حاضر، این یکی از پویاترین مناطق در حال توسعه برای استفاده از منابع انرژی تجدیدپذیر غیر سنتی در جهان است.

سیستم های پمپ حرارتی زمین گرمایی تامین گرما و کارایی کاربرد آنها در شرایط آب و هوایی روسیه

G. P. Vasilievمدیر علمی JSC "INSOLAR-INVEST"

برخلاف استفاده "مستقیم" از گرمای زمین گرمایی با پتانسیل بالا (منابع گرمابی)، استفاده از خاک لایه های سطحی زمین به عنوان منبع انرژی حرارتی با درجه پایین برای سیستم های تامین حرارت پمپ حرارتی زمین گرمایی (GHPS) تقریباً در همه جا امکان پذیر است. در حال حاضر، این یکی از پویاترین مناطق در حال توسعه برای استفاده از منابع انرژی تجدیدپذیر غیر سنتی در جهان است.

خاک لایه های سطحی زمین در واقع یک انباشته کننده حرارت با قدرت نامحدود است. رژیم حرارتی خاک تحت تأثیر دو عامل اصلی تشکیل می شود - برخورد تابش خورشیدی در سطح و جریان گرمای پرتوزایی از داخل زمین. تغییرات فصلی و روزانه در شدت تابش خورشید و دمای بیرون باعث نوسانات دمای لایه های بالایی خاک می شود. عمق نفوذ نوسانات روزانه دمای هوای بیرون و شدت تابش خورشیدی برخوردی بسته به خاک خاص شرایط آب و هواییاز چند ده سانتی متر تا یک و نیم متر متغیر است. عمق نفوذ نوسانات فصلی در دمای هوای بیرون و شدت تابش خورشیدی برخوردی معمولاً از 15 تا 20 متر تجاوز نمی کند.

رژیم حرارتی لایه های خاک واقع در زیر این عمق ("منطقه خنثی") تحت تأثیر انرژی حرارتی که از روده های زمین می آید تشکیل می شود و عملاً به تغییرات فصلی و حتی بیشتر از آن روزانه در پارامترهای آب و هوای فضای باز بستگی ندارد (شکل 1). با افزایش عمق، دمای زمین نیز مطابق با گرادیان زمین گرمایی افزایش می یابد (تقریباً 3 درجه سانتیگراد برای هر 100 متر). مقدار شار گرمای پرتوزایی که از روده های زمین می آید برای مکان های مختلف متفاوت است. به عنوان یک قاعده، این مقدار 0.05-0.12 W / m 2 است.

در حین کار نیروگاه توربین گاز، توده خاک واقع در منطقه نفوذ حرارتی رجیستر لوله های مبدل حرارتی خاک سیستم برای جمع آوری گرمای زمین با درجه پایین (سیستم جمع آوری گرما)، به دلیل تغییرات فصلی در پارامترهای آب و هوای خارجی و همچنین تحت تأثیر بارهای عملیاتی بر روی سیستم جمع آوری گرما، به طور معمول در معرض آزاد شدن و ذوب شدن مجدد قرار می گیرد. در این حالت طبیعتاً تغییر حالت تجمع رطوبت موجود در منافذ خاک و در حالت کلی هم در فاز مایع و هم در فاز جامد و گاز به طور همزمان ایجاد می شود. در عین حال در سیستم های مویین متخلخل که جرم خاک سیستم جمع آوری حرارت است، وجود رطوبت در فضای حفره تاثیر محسوسی بر روند انتشار حرارت دارد. محاسبه صحیح این تأثیر امروزه با مشکلات قابل توجهی همراه است، که در درجه اول با فقدان ایده های روشن در مورد ماهیت توزیع فازهای جامد، مایع و گاز رطوبت در ساختار خاصی از سیستم مرتبط است. اگر یک گرادیان دما در ضخامت توده خاک وجود داشته باشد، مولکول های بخار آب به مکان هایی با پتانسیل دمای پایین تر حرکت می کنند، اما در همان زمان، تحت تأثیر نیروهای گرانشی، جریان رطوبت در فاز مایع با جهت مخالف رخ می دهد. علاوه بر این، در رژیم دمالایه های بالایی خاک تحت تأثیر رطوبت قرار می گیرند ته نشینیو همچنین آب های زیرزمینی.

ویژگی‌های مشخصه رژیم حرارتی سیستم‌های جمع‌آوری گرمای زمین به عنوان یک شی طراحی، باید شامل به اصطلاح "عدم قطعیت اطلاعاتی" مدل‌های ریاضی توصیف کننده چنین فرآیندهایی باشد، یا به عبارت دیگر، فقدان اطلاعات قابل اعتماد در مورد تأثیرات روی سیستم محیطی (اتمسفر و جرم خاک خارج از منطقه تأثیر حرارتی مبدل حرارتی شدید زمین و سیستم جمع‌آوری پیچیده حرارتی آنها). در واقع، اگر بتوان تقریب تأثیرات بر سیستم آب و هوای بیرون را، اگرچه پیچیده، اما با مقدار معینی از «زمان رایانه‌ای» و استفاده از مدل‌های موجود (به عنوان مثال، «سال آب و هوایی معمولی») اجرا کرد، مشکل در نظر گرفتن تأثیر بر سیستم تأثیرات جوی (شبنم، برف، توده خاک، و غیره) در مدل وجود دارد. سیستم جمع آوری حرارت لایه های زیرین و اطراف خاک امروزه عملاً غیرقابل حل است و می تواند موضوع تحقیقات جداگانه باشد. بنابراین، به عنوان مثال، دانش اندک در مورد فرآیندهای تشکیل جریان های تصفیه آب زیرزمینی، رژیم سرعت آنها و همچنین عدم امکان به دست آوردن اطلاعات قابل اعتماد در مورد رژیم حرارتی و رطوبتی لایه های خاک واقع در زیر منطقه تأثیر حرارتی مبدل حرارتی خاک، کار ساخت یک مدل ریاضی صحیح از رژیم جمع آوری خاک گرمای کم حرارتی سیستم را بسیار پیچیده می کند.

برای غلبه بر مشکلات توصیف شده که هنگام طراحی یک نیروگاه توربین گاز ایجاد می شود، می توان روش توسعه یافته و آزمایش شده در عمل مدل سازی ریاضی رژیم حرارتی سیستم های جمع آوری گرمای زمین و روش در نظر گرفتن انتقال فاز رطوبت در فضای منافذ توده خاک سیستم های جمع آوری حرارت را هنگام طراحی نیروگاه های توربین گاز توصیه کرد.

ماهیت روش این است که هنگام ساخت یک مدل ریاضی، تفاوت بین دو مسئله را در نظر بگیریم: مسئله "اساسی" که رژیم حرارتی خاک را در حالت طبیعی آن توصیف می کند (بدون تأثیر مبدل حرارتی خاک سیستم جمع آوری حرارت) و مشکلی که باید حل شود که رژیم حرارتی توده خاک را با سینک های حرارتی (منابع) توصیف می کند. در نتیجه، این روش امکان دستیابی به یک راه حل را با توجه به برخی فراهم می کند خصوصیت جدید، که تابعی از تأثیر هیت سینک ها بر رژیم حرارتی طبیعی خاک است و برابر است با اختلاف دمای توده خاک در حالت طبیعی و توده خاک با زهکش ها (منابع حرارتی) - با مبدل حرارتی زمینی سیستم جمع آوری حرارت. استفاده از این روش در ساخت مدل‌های ریاضی رژیم حرارتی سیستم‌ها برای جمع‌آوری گرمای زمین با پتانسیل پایین باعث شد تا نه تنها از مشکلات ناشی از تقریب تأثیرات خارجی بر روی سیستم جمع‌آوری گرما عبور کنیم، بلکه از اطلاعاتی که به‌طور تجربی توسط ایستگاه‌های هواشناسی در مورد رژیم حرارتی طبیعی خاک به‌دست می‌آیند نیز در مدل‌ها استفاده شود. این امکان را فراهم می کند که تا حدی کل مجموعه عوامل (مانند وجود آب های زیرزمینی، سرعت و رژیم های حرارتی آن، ساختار و مکان لایه های خاک، پس زمینه "حرارتی" زمین، ته نشینی، تبدیل فاز رطوبت در فضای منافذ و موارد دیگر) که به طور قابل توجهی بر شکل گیری رژیم حرارتی سیستم جمع آوری گرما تأثیر می گذارد و در نظر گرفتن آنها در یک فرمول دقیق مشکل عملاً غیرممکن است.

روش در نظر گرفتن انتقال فاز رطوبت در فضای منافذ یک توده خاک هنگام طراحی نیروگاه توربین گاز مبتنی بر مفهوم جدیدی از رسانایی حرارتی "معادل" خاک است که با جایگزینی مشکل رژیم حرارتی سیلندر خاک منجمد در اطراف لوله‌های مبدل حرارتی خاک با "معادل مشابه‌ترین شرایط دمایی و میدان دمایی مشابه" تعیین می‌شود. معادل” هدایت حرارتی.

مهمترین وظیفه ای که در طراحی سیستم های تامین گرمای زمین گرمایی برای ساختمان ها حل می شود، ارزیابی دقیق قابلیت های انرژی آب و هوای منطقه ساخت و ساز و بر این اساس، نتیجه گیری در مورد اثربخشی و امکان سنجی استفاده از یک یا آن طرح مدار GTTS است. مقادیر محاسبه شده پارامترهای آب و هوایی ارائه شده در اسناد نظارتی فعلی ارائه نمی شود مشخصات کاملآب و هوای خارجی، تغییرپذیری آن بر اساس ماه ها، و همچنین در دوره های خاصی از سال - فصل گرما، دوره گرمای بیش از حد، و غیره. بنابراین، هنگام تصمیم گیری در مورد پتانسیل دمایی گرمای زمین گرمایی، ارزیابی امکان ترکیب آن با سایر منابع طبیعی گرمای کم پتانسیل، ارزیابی سطوح دمایی آنها (منابع) در چرخه سالانه، لازم است که داده های اقلیمی را با توجه به شرایط آب و هوای ایالات متحده (مطابق با شرایط آب و هوای آمریکا) به طور کامل جذب کنیم. آب و هوای اتحاد جماهیر شوروی (L.: Hydrometeopias. شماره 1-34).

در میان چنین اطلاعات آب و هوایی، در مورد ما، اول از همه باید برجسته کنیم:

- داده های میانگین دمای ماهانه خاک در اعماق مختلف؛

- داده‌های مربوط به ورود تابش خورشیدی به سطوح با جهت‌گیری متفاوت.

روی میز. جداول 1-5 داده هایی را در مورد میانگین دمای ماهانه زمین در اعماق مختلف برای برخی از شهرهای روسیه نشان می دهد. روی میز. جدول 1 میانگین دمای ماهانه خاک را برای 23 شهر فدراسیون روسیه در عمق 1.6 متر نشان می دهد که به نظر می رسد منطقی ترین از نظر پتانسیل دمایی خاک و امکان مکانیزه کردن تولید کارهای مربوط به تخمگذار مبدل های حرارتی افقی خاک باشد.

اطلاعات ارائه شده در جداول در مورد سیر طبیعی دمای خاک در عمق حداکثر 3.2 متری (یعنی در لایه خاک "کار" برای نیروگاه توربین گاز با مبدل حرارتی افقی خاک) به وضوح امکان استفاده از خاک به عنوان منبع گرمایی کم پتانسیل را نشان می دهد. فاصله نسبتاً کوچک تغییر در دمای لایه های واقع در همان عمق در قلمرو روسیه آشکار است. بنابراین، برای مثال، حداقل دمای خاک در عمق 3.2 متر از سطح در شهر استاوروپل 7.4 درجه سانتیگراد و در شهر یاکوتسک - (4.4- درجه سانتیگراد) است. بر این اساس، دامنه تغییرات دمای خاک در یک عمق معین 11.8 درجه است. این واقعیت به ما اجازه می دهد تا روی ایجاد یک تجهیزات پمپ حرارتی به اندازه کافی یکپارچه و مناسب برای عملیات در سراسر روسیه حساب کنیم.

همانطور که از جداول ارائه شده مشخص است، ویژگی مشخصهرژیم دمای طبیعی خاک، تأخیر حداقل دمای خاک نسبت به زمان رسیدن حداقل دمای هوای بیرون است. حداقل دمای هوای بیرون در همه جا در ژانویه مشاهده می شود، حداقل درجه حرارت در زمین در عمق 1.6 متر در استاوروپل در ماه مارس، در یاکوتسک - در مارس، در سوچی - در ماه مارس، در ولادی وستوک - در آوریل مشاهده می شود. بنابراین، بدیهی است که با شروع حداقل دما در زمین، بار روی سیستم تامین حرارت پمپ حرارتی (اتلاف حرارت ساختمان) کاهش می یابد. این نکته فرصت های کاملاً جدی را برای کاهش ظرفیت نصب شده GTTS (صرفه جویی در هزینه سرمایه) باز می کند و باید هنگام طراحی در نظر گرفته شود.

برای ارزیابی اثربخشی استفاده از سیستم های تامین حرارت پمپ حرارتی زمین گرمایی در شرایط آب و هوایی روسیه، منطقه بندی قلمرو فدراسیون روسیه با توجه به کارایی استفاده از گرمای زمین گرمایی کم پتانسیل برای اهداف تامین گرما انجام شد. منطقه بندی بر اساس نتایج آزمایش های عددی در مدل سازی حالت های عملکرد GTTS در شرایط آب و هوایی مناطق مختلف قلمرو فدراسیون روسیه انجام شد. آزمایش‌های عددی بر روی نمونه یک کلبه فرضی دو طبقه با مساحت گرمایش 200 متر مربع، مجهز به سیستم تامین حرارت پمپ حرارتی زمین‌گرمایی انجام شد. سازه‌های محصور خارجی خانه مورد نظر دارای مقاومت‌های کمتری در انتقال حرارت زیر هستند:

- دیوارهای خارجی - 3.2 متر 2 ساعت درجه سانتیگراد / W.

- پنجره ها و درها - 0.6 m 2 h ° C / W.

- پوشش ها و سقف ها - 4.2 متر 2 ساعت درجه سانتیگراد / W.

هنگام انجام آزمایش های عددی، موارد زیر در نظر گرفته شد:

- سیستم جمع آوری حرارت زمین با چگالی کم مصرف انرژی زمین گرمایی؛

- سیستم جمع آوری حرارت افقی ساخته شده از لوله های پلی اتیلن با قطر 0.05 متر و طول 400 متر؛

- سیستم جمع آوری حرارت زمین با چگالی بالای مصرف انرژی زمین گرمایی؛

– سیستم جمع آوری حرارت عمودی از یک چاه حرارتی به قطر 0.16 متر و طول 40 متر.

مطالعات انجام شده نشان داده است که مصرف انرژی حرارتی از توده خاک تا پایان فصل گرما باعث کاهش دمای خاک در نزدیکی لوله های سیستم جمع آوری گرما می شود که در شرایط خاکی و اقلیمی بیشتر قلمرو فدراسیون روسیه زمان جبران آن را ندارد. دوره تابستانسال، و با شروع فصل گرمایش بعدی، خاک با پتانسیل دمای کمتری خارج می شود. مصرف انرژی حرارتی در فصل گرمایش بعدی باعث کاهش بیشتر دمای خاک می شود و با شروع فصل گرمایش سوم، پتانسیل دمایی آن با حالت طبیعی تفاوت بیشتری پیدا می کند. و به همین ترتیب... با این حال، پوشش‌های تأثیر حرارتی عملکرد طولانی‌مدت سیستم جمع‌آوری گرما بر رژیم دمایی طبیعی خاک، ویژگی نمایی مشخصی دارد و تا سال پنجم بهره‌برداری، خاک وارد یک رژیم جدید نزدیک به دوره‌ای می‌شود، یعنی از سال پنجم بهره‌برداری، مصرف طولانی‌مدت انرژی حرارتی از سیستم جمع‌آوری گرمایی با تغییرات دمایی توده خاک همراه است. بنابراین، هنگام پهنه بندی قلمرو فدراسیون روسیه، لازم بود که افت دمای توده خاک، ناشی از عملکرد طولانی مدت سیستم جمع آوری حرارت، در نظر گرفته شود و از دمای خاک مورد انتظار برای سال پنجم بهره برداری GTTS به عنوان پارامترهای طراحی برای دمای توده خاک استفاده شود. با در نظر گرفتن این شرایط، هنگام منطقه بندی قلمرو فدراسیون روسیه با توجه به کارایی استفاده از GTPP، به عنوان معیاری برای کارایی سیستم تامین حرارت پمپ حرارتی زمین گرمایی، میانگین ضریب تبدیل گرما برای سال پنجم بهره برداری Kr tr انتخاب شد که نسبت انرژی ایده آل برای انرژی گرمایی GT و انرژی تولید شده توسط GTMO مفید است. چرخه کارنو پویا به شرح زیر است:

K tr \u003d T o / (T o - T u)، (1)

که در آن T o پتانسیل دمایی گرمای حذف شده به سیستم گرمایش یا تامین گرما، K است.

T و - پتانسیل دمایی منبع گرما، K.

ضریب تبدیل سیستم تامین حرارت پمپ حرارتی K tr نسبت گرمای مفید حذف شده به سیستم تامین حرارت مصرف کننده به انرژی صرف شده برای کارکرد نیروگاه توربین گازی است و از نظر عددی برابر با مقدار گرمای مفید بدست آمده در دماهای T o و T و به ازای هر واحد انرژی صرف شده در درایو نیروگاه توربین گازی است. نسبت تبدیل واقعی با فرمول (1) با مقدار ضریب h که درجه کمال ترمودینامیکی GTST و تلفات انرژی غیرقابل برگشت را در طول اجرای چرخه در نظر می گیرد، با فرمول (1) توضیح داده شده است.

آزمایش‌های عددی با کمک یک برنامه ایجاد شده در INSOLAR-INVEST OJSC انجام شد که تعیین پارامترهای بهینه سیستم جمع‌آوری گرما را بسته به شرایط آب و هوایی منطقه ساخت‌وساز، ویژگی‌های محافظ حرارت ساختمان، ویژگی‌های عملکرد تجهیزات پمپ حرارتی، تضمین می‌کند. پمپ های گردش خون، دستگاه های گرمایش سیستم گرمایش و همچنین حالت های عملکرد آنها. این برنامه مبتنی بر روش توصیف شده قبلی برای ساخت مدل‌های ریاضی رژیم حرارتی سیستم‌های جمع‌آوری گرمای زمین با پتانسیل پایین است که به دلیل استفاده از اطلاعات تجربی به دست آمده در مورد رژیم حرارتی طبیعی خاک در برنامه، امکان دور زدن مشکلات مربوط به عدم قطعیت اطلاعاتی مدل‌ها و تقریب تأثیرات خارجی را فراهم می‌کند. رژیم‌های حرارتی، ساختار و مکان لایه‌های خاک، پس‌زمینه «حرارتی» زمین، بارش جوی، تبدیل‌های فازی رطوبت در فضای منافذ و بسیاری موارد دیگر)، که بیشترین تأثیر را بر شکل‌گیری رژیم حرارتی سیستم جمع‌آوری گرما می‌گذارد، و توضیح مشترک آن در یک فرمول دقیق مشکل امروز عملاً غیرممکن است. به‌عنوان راه‌حلی برای مشکل «اساسی»، از داده‌های کتاب راهنمای آب و هوا اتحاد جماهیر شوروی (L.: Gidrometioizdat. شماره 1-34) استفاده شد.

این برنامه در واقع اجازه می دهد تا مشکل بهینه سازی چند پارامتری پیکربندی GTTS برای یک ساختمان و منطقه ساخت و ساز خاص را حل کند. در عین حال تابع هدف مسئله بهینه‌سازی حداقل هزینه انرژی سالانه برای بهره‌برداری از نیروگاه توربین گازی است و معیارهای بهینه‌سازی شعاع لوله‌های مبدل حرارتی خاک، طول و عمق آن (مبدل حرارتی) است.

نتایج آزمایش‌های عددی و پهنه‌بندی قلمرو روسیه از نظر کارایی استفاده از گرمای زمین‌گرمایی کم پتانسیل به منظور تامین حرارت ساختمان‌ها به صورت گرافیکی در شکل 1 ارائه شده است. 2-9.

روی انجیر شکل 2 مقادیر و ایزوله های ضریب تبدیل سیستم های تامین حرارت پمپ حرارتی زمین گرمایی با سیستم های جمع آوری حرارت افقی را نشان می دهد و در شکل 1. 3 - برای GTST با سیستم های جمع آوری حرارت عمودی. همانطور که از شکل ها مشخص است، حداکثر مقادیر Krr 4.24 برای سیستم های جمع آوری حرارت افقی و 4.14 برای سیستم های عمودی در جنوب روسیه و حداقل مقادیر به ترتیب 2.87 و 2.73 در شمال در Uelen قابل انتظار است. برای روسیه مرکزی، مقادیر Kr tr برای سیستم های جمع آوری حرارت افقی در محدوده 3.4-3.6 و برای سیستم های عمودی در محدوده 3.2-3.4 است. مقادیر نسبتاً بالای Kr tr (3.2-3.5) برای مناطق خاور دور، مناطقی که شرایط عرضه سوخت به طور سنتی دشوار است، قابل توجه است. ظاهرا شرق دورمنطقه ای از اولویت اجرای GTST است.

روی انجیر شکل 4 مقادیر و خطوط ایزوله هزینه های انرژی سالانه خاص را برای درایو GTST + PD "افقی" نشان می دهد، از جمله هزینه های انرژی برای گرمایش، تهویه و تامین آب گرم، کاهش یافته به 1 متر مربع از منطقه گرم شده، و در شکل. 5 - برای GTST با سیستم های جمع آوری حرارت عمودی. همانطور که از شکل‌ها مشاهده می‌شود، مصرف انرژی ویژه سالانه برای راندن نیروگاه‌های توربین گازی افقی، به 1 متر مربع از مساحت گرم‌شده ساختمان کاهش می‌یابد، از 28.8 کیلووات ساعت / (سال متر مربع) در جنوب روسیه تا 241 کیلووات ساعت / (سال مترمربع) در یاکوتسک، و برای نیروگاه عمودی نیروگاه‌ها از k2/m2/8 به ترتیب متغیر است. ) در جنوب و تا 248 کیلووات ساعت / / (سال متر مربع) در یاکوتسک. اگر مقدار انرژی مصرفی ویژه سالانه برای درایو نیروگاه توربین گازی نشان داده شده در شکل های یک منطقه خاص را در مقدار این منطقه K p tr که با 1 کاهش می یابد ضرب کنیم، مقدار انرژی ذخیره شده توسط نیروگاه توربین گازی را از 1 متر مربع منطقه گرم شده در سال به دست خواهیم آورد. به عنوان مثال، برای مسکو، برای نیروگاه توربین گاز عمودی، این مقدار 189.2 کیلووات ساعت در هر 1 متر مربع در سال خواهد بود. برای مقایسه، می توان مقادیر مصرف انرژی ویژه تعیین شده توسط استانداردهای صرفه جویی در انرژی مسکو MGSN 2.01-99 را برای ساختمان های کم ارتفاع در سطح 130 و برای ساختمان های چند طبقه 95 کیلووات ساعت / (سال متر مربع) ذکر کرد. در عین حال، هزینه های انرژی عادی شده توسط MGSN 2.01-99 فقط شامل هزینه های انرژی برای گرمایش و تهویه می شود، در مورد ما، هزینه های انرژی شامل هزینه های انرژی برای تامین آب گرم نیز می شود. واقعیت این است که رویکرد ارزیابی هزینه های انرژی برای بهره برداری از یک ساختمان، که در استانداردهای فعلی وجود دارد، هزینه های انرژی برای گرمایش و تهویه ساختمان و هزینه های انرژی برای تامین آب گرم آن را به عنوان موارد جداگانه مشخص می کند. در عین حال، هزینه های انرژی برای تامین آب گرم استاندارد نیست. این رویکرد صحیح به نظر نمی رسد، زیرا هزینه های انرژی برای تامین آب گرم اغلب متناسب با هزینه های انرژی برای گرمایش و تهویه است.

روی انجیر 6 مقادیر و خطوط ایزوله نسبت منطقی توان حرارتی پیک نزدیکتر (PD) و توان الکتریکی نصب شده GTST افقی را در کسری از یک واحد نشان می دهد و در شکل. 7 - برای GTST با سیستم های جمع آوری حرارت عمودی. معیار نسبت منطقی توان حرارتی نزدیکتر به قله و توان الکتریکی نصب شده GTST (به استثنای PD) حداقل هزینه سالانه برق برای درایو GTST + PD بود. همانطور که از شکل ها مشاهده می شود، نسبت منطقی ظرفیت های PD حرارتی و GTPP الکتریکی (بدون PD) از 0 در جنوب روسیه تا 2.88 برای GTPP افقی و 2.92 برای سیستم های عمودی در یاکوتسک متغیر است. در نوار مرکزی قلمرو فدراسیون روسیه، نسبت منطقی قدرت حرارتی درب نزدیکتر و توان الکتریکی نصب شده GTST + PD در محدوده 1.1-1.3 برای GTST افقی و عمودی است. در این مرحله لازم است که با جزئیات بیشتر صحبت کنیم. واقعیت این است که هنگام جایگزینی، به عنوان مثال، گرمایش الکتریکی در روسیه مرکزی، ما در واقع این فرصت را داریم که قدرت تجهیزات الکتریکی نصب شده در یک ساختمان گرمایشی را 35-40٪ کاهش دهیم و بر این اساس، توان الکتریکی درخواست شده از RAO UES را کاهش دهیم، که امروز حدود 50 هزار روبل "هزینه" دارد. به ازای هر 1 کیلووات برق نصب شده در خانه. بنابراین، به عنوان مثال، برای یک کلبه با تلفات حرارتی محاسبه شده در سردترین دوره پنج روزه معادل 15 کیلو وات، 6 کیلو وات برق نصب شده و بر این اساس، حدود 300 هزار روبل صرفه جویی می کنیم. یا ≈ 11.5 هزار دلار آمریکا. این رقم عملاً برابر است با هزینه GTST چنین ظرفیت گرمایی.

بنابراین، اگر به درستی تمام هزینه های مربوط به اتصال یک ساختمان به منبع تغذیه متمرکز را در نظر بگیریم، معلوم می شود که با تعرفه های فعلی برق و اتصال به شبکه های تامین برق متمرکز در نوار مرکزی قلمرو فدراسیون روسیه، حتی از نظر هزینه های یک بار، GTST سودآورتر از گرمایش الکتریکی است، نه صرفه جویی در انرژی 60٪.

روی انجیر 8 مقادیر و خطوط ایزوله سهم انرژی حرارتی تولید شده در طول سال توسط یک پیک نزدیکتر (PD) در کل مصرف انرژی سالانه سیستم افقی GTST + PD را به صورت درصد نشان می دهد و در شکل. 9 - برای GTST با سیستم های جمع آوری حرارت عمودی. همانطور که از شکل ها مشاهده می شود، سهم انرژی حرارتی تولید شده در طول سال توسط یک پیک نزدیکتر (PD) در کل مصرف انرژی سالانه سیستم افقی GTST + PD از 0٪ در جنوب روسیه تا 38-40٪ در Yakutsk و Tura، و برای GTST + PD - به ترتیب، از 0٪ در جنوب یاکوتسک تا 5٪ متغیر است. در منطقه مرکزی روسیه، این مقادیر برای GTS عمودی و افقی حدود 5-7٪ است. اینها هزینه های انرژی اندکی هستند و از این نظر باید در انتخاب پیک نزدیکتر دقت کنید. منطقی ترین از نقطه نظر هر دو سرمایه گذاری خاص در 1 کیلووات قدرت و اتوماسیون، محرک های الکتریکی اوج هستند. قابل توجه استفاده از دیگ های پلت است.

در پایان، من می خواهم در مورد یک موضوع بسیار مهم صحبت کنم: مشکل انتخاب سطح منطقی حفاظت حرارتی ساختمان ها. این مشکل امروزه یک کار بسیار جدی است که حل آن مستلزم یک تحلیل عددی جدی است که ویژگی‌های آب و هوای ما و ویژگی‌های تجهیزات مهندسی مورد استفاده، زیرساخت شبکه‌های متمرکز و همچنین وضعیت محیطی در شهرها را که به معنای واقعی کلمه جلوی چشمان ما رو به وخامت است و موارد دیگر را در نظر می‌گیرد. بدیهی است که امروزه تدوین هر گونه الزامات برای پوسته ساختمان بدون در نظر گرفتن ارتباط (ساختمان) آن با اقلیم و سیستم تامین انرژی، آب و برق و غیره نادرست است. در نتیجه، در آینده بسیار نزدیک، راه حل مشکل انتخاب سطح منطقی حفاظت حرارتی تنها بر اساس در نظر گرفتن ساختمان پیچیده + سیستم تامین انرژی + اقلیم + امکان پذیر خواهد بود. محیطبه عنوان یک سیستم واحد اکو انرژی و با این رویکرد مزایای رقابتیارزیابی GTST در بازار داخلی دشوار است.

ادبیات

1. Sanner B. منابع حرارتی زمین برای پمپ های حرارتی (طبقه بندی، ویژگی ها، مزایا). دوره آموزشی پمپ های حرارتی زمین گرمایی، 2002.

2. Vasiliev G. P. سطح اقتصادی امکان پذیر حفاظت حرارتی ساختمان ها // صرفه جویی در انرژی. - 2002. - شماره 5.

3. Vasiliev G. P. تامین گرما و سرما ساختمان ها و سازه ها با استفاده از انرژی حرارتی کم پتانسیل لایه های سطحی زمین: مونوگراف. انتشارات "مرز". - M. : Krasnaya Zvezda، 2006.

کریل دگتیارف، محقق، مسکو دانشگاه دولتیآنها M. V. Lomonosov.

در کشور ما، سرشار از هیدروکربن، انرژی زمین گرمایی نوعی منبع عجیب و غریب است که در شرایط کنونی، بعید است با نفت و گاز رقابت کند. با این وجود، این شکل جایگزین انرژی تقریباً در همه جا و کاملاً کارآمد قابل استفاده است.

عکس از ایگور کنستانتینوف.

تغییر دمای خاک با عمق

افزایش دمای آبهای حرارتی و سنگهای خشک حاوی آنها با عمق.

تغییر دما با عمق در مناطق مختلف.

فوران آتشفشان ایسلندی Eyjafjallajökull تصویری از فرآیندهای آتشفشانی خشونت آمیز است که در مناطق تکتونیکی و آتشفشانی فعال با جریان گرمای قوی از داخل زمین رخ می دهد.

ظرفیت های نصب شده نیروگاه های زمین گرمایی توسط کشورهای جهان، مگاوات.

توزیع منابع زمین گرمایی در خاک روسیه. ذخایر انرژی زمین گرمایی، به گفته کارشناسان، چندین برابر بیشتر از ذخایر انرژی سوخت های فسیلی آلی است. به گفته انجمن انرژی زمین گرمایی.

انرژی زمین گرمایی گرمای داخل زمین است. در اعماق تولید می شود و به اشکال مختلف و با شدت های مختلف به سطح زمین می آید.

دمای لایه های بالایی خاک عمدتاً به عوامل خارجی (اگزوژن) - نور خورشید و دمای هوا بستگی دارد. در تابستان و در روز خاک تا اعماق معینی گرم می شود و در زمستان و شب به دنبال تغییر دمای هوا و با کمی تأخیر سرد می شود و با افزایش عمق می رود. تأثیر نوسانات روزانه دمای هوا در اعماق چند تا چند ده سانتی متری به پایان می رسد. نوسانات فصلی لایه های عمیق تری از خاک را جذب می کند - تا ده ها متر.

در عمق معینی - از ده ها تا صدها متر - دمای خاک برابر با میانگین دمای هوای سالانه نزدیک سطح زمین ثابت نگه داشته می شود. با پایین رفتن در یک غار نسبتاً عمیق می توان این موضوع را تأیید کرد.

چه زمانی میانگین دمای سالانههوا در منطقه زیر صفر است، این خود را به عنوان منجمد دائمی (به طور دقیق تر، دائمی یخبندان) نشان می دهد. که در سیبری شرقیضخامت، یعنی ضخامت، خاک های یخ زده در تمام طول سال در جاهایی به 200-300 متر می رسد.

از عمق معینی (که برای هر نقطه روی نقشه مختص به خود است)، تأثیر خورشید و جو بسیار ضعیف می شود، به طوری که عوامل درون زا (داخلی) در درجه اول قرار می گیرند و فضای داخلی زمین از داخل گرم می شود، به طوری که دما شروع به افزایش می کند. با عمق بالا برود

گرم شدن لایه‌های عمیق زمین عمدتاً با پوسیدگی عناصر رادیواکتیو واقع در آنجا مرتبط است، اگرچه سایر منابع گرما نیز نامیده می‌شوند، به عنوان مثال، فرآیندهای فیزیکوشیمیایی، تکتونیکی در لایه‌های عمیق پوسته و گوشته زمین. اما علت هر چه باشد، دمای سنگ ها و مواد مایع و گازی مرتبط با آن با عمق افزایش می یابد. معدنچیان با این پدیده روبرو هستند - همیشه در معادن عمیق گرم است. در عمق 1 کیلومتری، گرمای سی درجه طبیعی است و در عمق بیشتر دما حتی بالاتر است.

جریان گرمای داخل زمین که به سطح زمین می رسد، کوچک است - به طور متوسط، قدرت آن 0.03-0.05 W / m 2 است.
یا حدود 350 وات بر متر مربع در سال. در مقابل پس‌زمینه جریان گرما از خورشید و هوای گرم شده توسط آن، این مقدار نامحسوس است: خورشید به هر متر مربع از سطح زمین سالانه حدود 4000 کیلووات ساعت می‌دهد، یعنی 10000 برابر (البته این به طور متوسط ​​​​است، با پراکندگی عظیم بین عرضهای جغرافیایی قطبی و استوایی و آب و هوا و سایر عوامل).

ناچیز بودن جریان گرما از اعماق به سطح در بیشتر نقاط سیاره با هدایت حرارتی کم سنگ ها و ویژگی های ساختار زمین شناسی مرتبط است. اما استثنائاتی وجود دارد - مکان هایی که جریان گرما زیاد است. اینها، اول از همه، مناطقی از گسل های زمین ساختی، افزایش فعالیت لرزه ای و آتشفشانی هستند، جایی که انرژی درونی زمین راهی برای خروج پیدا می کند. چنین مناطقی با ناهنجاری های حرارتی لیتوسفر مشخص می شوند، در اینجا جریان گرمایی که به سطح زمین می رسد می تواند چندین برابر و حتی مرتبه های قدر قوی تر از "معمول" باشد. مقدار زیادی گرما در این مناطق توسط فوران های آتشفشانی و چشمه های آب گرم به سطح می رسد.

این مناطق هستند که برای توسعه انرژی زمین گرمایی بسیار مطلوب هستند. در قلمرو روسیه، اینها، اول از همه، کامچاتکا، جزایر کوریل و قفقاز هستند.

در عین حال ، توسعه انرژی زمین گرمایی تقریباً در همه جا امکان پذیر است ، زیرا افزایش دما با عمق یک پدیده همه جا حاضر است و وظیفه "استخراج" گرما از روده ها است ، همانطور که مواد خام معدنی از آنجا استخراج می شود.

به طور متوسط، دما با عمق 2.5-3 درجه سانتیگراد به ازای هر 100 متر افزایش می یابد. نسبت اختلاف دما بین دو نقطه واقع در اعماق مختلف به اختلاف عمق بین آنها، گرادیان زمین گرمایی نامیده می شود.

متقابل مرحله زمین گرمایی یا فاصله عمقی است که در آن دما به میزان 1 درجه سانتیگراد افزایش می یابد.

هر چه شیب بیشتر و بر این اساس، پله کمتر باشد، گرمای اعماق زمین به سطح نزدیک‌تر می‌شود و این ناحیه برای توسعه انرژی زمین گرمایی امیدوارکننده‌تر است.

در مناطق مختلف بسته به ساختار زمین شناسی و سایر شرایط منطقه ای و محلی، میزان افزایش دما با عمق می تواند به طور چشمگیری متفاوت باشد. در مقیاس زمین، نوسانات در مقادیر شیب و پله های زمین گرمایی به 25 برابر می رسد. به عنوان مثال، در ایالت اورگان (ایالات متحده آمریکا)، گرادیان 150 درجه سانتیگراد در هر 1 کیلومتر است، و در آفریقای جنوبی- 6 o C در هر 1 کیلومتر.

سوال این است که درجه حرارت در اعماق زیاد - 5، 10 کیلومتر یا بیشتر چقدر است؟ اگر این روند ادامه یابد، دمای هوا در عمق 10 کیلومتری باید به طور متوسط ​​حدود 250-300 درجه سانتیگراد باشد. این امر با مشاهدات مستقیم در چاه های فوق عمیق کم و بیش تایید می شود، اگرچه تصویر بسیار پیچیده تر از افزایش خطی دما است. .

به عنوان مثال، در چاه فوق عمیق کولا که در سپر کریستالی بالتیک حفر شده است، دما با سرعت 10 درجه سانتیگراد / 1 کیلومتر به عمق 3 کیلومتر تغییر می کند و سپس شیب زمین گرمایی 2-2.5 برابر بیشتر می شود. در عمق 7 کیلومتری، دمای 120 درجه سانتیگراد، در 10 کیلومتر - 180 درجه سانتیگراد و در 12 کیلومتر - 220 درجه سانتیگراد ثبت شده است.

نمونه دیگر چاهی در خزر شمالی است که در عمق 500 متری دمای 42 درجه سانتیگراد، در 1.5 کیلومتر - 70 درجه سانتیگراد، در 2 کیلومتر - 80 درجه سانتیگراد، در 3 کیلومتر - 108 درجه سانتیگراد ثبت شده است.

فرض بر این است که گرادیان زمین گرمایی با شروع از عمق 20-30 کیلومتری کاهش می یابد: در عمق 100 کیلومتری، دمای تخمین زده شده حدود 1300-1500 درجه سانتیگراد، در عمق 400 کیلومتر - 1600 درجه سانتیگراد، در زمین است. هسته (عمق بیش از 6000 کیلومتر) - 4000-5000 درجه با.

در اعماق تا 10-12 کیلومتر، دما از طریق چاه های حفر شده اندازه گیری می شود. در جایی که وجود ندارند، با علائم غیرمستقیم به همان روشی که در اعماق بیشتر تعیین می شود. چنین علائم غیرمستقیمی ممکن است ماهیت عبور امواج لرزه ای یا دمای فوران گدازه باشد.

با این حال، برای اهداف انرژی زمین گرمایی، داده های مربوط به دما در اعماق بیش از 10 کیلومتر هنوز مورد توجه عملی نیستند.

گرمای زیادی در اعماق چند کیلومتری وجود دارد، اما چگونه می توان آن را افزایش داد؟ گاهی اوقات خود طبیعت با کمک یک خنک کننده طبیعی این مشکل را برای ما حل می کند - آب های حرارتی گرم شده که به سطح می آیند یا در عمق قابل دسترس ما قرار می گیرند. در برخی موارد، آب در اعماق تا حالت بخار گرم می شود.

تعریف دقیق مفهوم " آب های حرارتی"نه. به عنوان یک قاعده ، آنها به معنای آبهای زیرزمینی گرم در حالت مایع یا به صورت بخار هستند ، از جمله آنهایی که با دمای بالاتر از 20 درجه سانتیگراد به سطح زمین می آیند ، یعنی به طور معمول بالاتر از دمای هوا.

گرمای آب های زیرزمینی، بخار، مخلوط های بخار و آب انرژی هیدروترمال است. بر این اساس انرژی بر اساس استفاده از آن را هیدروترمال می نامند.

وضعیت با استخراج مستقیم گرما از سنگ های خشک - انرژی پتروترمال پیچیده تر است، به خصوص که کافی است دمای بالا، به عنوان یک قاعده، از عمق چندین کیلومتری شروع می شود.

در خاک روسیه، پتانسیل انرژی پتروترمال صد برابر بیشتر از انرژی هیدروترمال است - به ترتیب 3500 و 35 تریلیون تن سوخت استاندارد. این کاملا طبیعی است - گرمای اعماق زمین در همه جا وجود دارد و آب های حرارتی به صورت محلی یافت می شوند. با این حال، به دلیل مشکلات فنی آشکار، در حال حاضر بیشتر آب های حرارتی برای تولید گرما و برق استفاده می شود.

آبهایی با دمای 20 تا 30 تا 100 درجه سانتیگراد برای گرمایش، دمای 150 درجه سانتیگراد و بالاتر - و برای تولید برق در نیروگاههای زمین گرمایی مناسب هستند.

به طور کلی، منابع زمین گرمایی در خاک روسیه، از نظر تن سوخت مرجع یا هر واحد اندازه گیری انرژی دیگر، تقریباً 10 برابر بیشتر از ذخایر سوخت فسیلی است.

از نظر تئوری، تنها انرژی زمین گرمایی می تواند نیازهای انرژی کشور را به طور کامل تامین کند. عملا روشن است این لحظهدر بیشتر قلمرو آن، این امر به دلایل فنی و اقتصادی امکان پذیر نیست.

در جهان، استفاده از انرژی زمین گرمایی اغلب با ایسلند مرتبط است - کشوری که در انتهای شمالی خط الراس میانی اقیانوس اطلس، در یک منطقه زمین ساختی و آتشفشانی بسیار فعال قرار دارد. احتمالا همه فوران قدرتمند آتشفشان Eyjafjallajökull در سال 2010 را به یاد دارند.

به لطف این ویژگی زمین شناسی است که ایسلند دارای ذخایر عظیمی از انرژی زمین گرمایی است، از جمله چشمه های آب گرمی که به سطح زمین می آیند و حتی به شکل آبفشان فوران می کنند.

در ایسلند، بیش از 60 درصد از کل انرژی مصرف شده در حال حاضر از زمین گرفته می شود. با احتساب منابع زمین گرمایی، 90 درصد گرمایش و 30 درصد تولید برق تامین می شود. ما اضافه می کنیم که بقیه برق در کشور توسط نیروگاه های برق آبی تولید می شود، یعنی همچنین با استفاده از یک منبع انرژی تجدید پذیر، که به لطف آن ایسلند به نوعی استاندارد زیست محیطی جهانی به نظر می رسد.

"رام کردن" انرژی زمین گرمایی در قرن بیستم کمک قابل توجهی به ایسلند کرد. تا اواسط قرن گذشته کشوری بسیار فقیر بود، اکنون از نظر ظرفیت نصب شده و تولید سرانه انرژی زمین گرمایی رتبه اول را در جهان دارد و از نظر ظرفیت نصب شده مطلق نیروگاه های زمین گرمایی در بین ده کشور برتر قرار دارد. با این حال، جمعیت آن تنها 300 هزار نفر است، که کار تغییر به منابع انرژی سازگار با محیط زیست را ساده می کند: نیاز به آن به طور کلی کم است.

علاوه بر ایسلند، سهم بالایی از انرژی زمین گرمایی در کل توازن تولید برق در نیوزیلند و کشورهای جزیره‌ای آسیای جنوب شرقی (فیلیپین و اندونزی)، کشورهای آمریکای مرکزی و آفریقای شرقی، که قلمرو آنها نیز مشخص است، ارائه می‌شود. با فعالیت لرزه ای و آتشفشانی بالا. برای این کشورها، در سطح فعلی توسعه و نیازهایشان، انرژی زمین گرمایی سهم قابل توجهی در توسعه اقتصادی-اجتماعی دارد.

(پایان در ادامه می آید.)

به جای مقدمه
افراد باهوش و خیرخواه به من اشاره کردند که این مورد را نباید فقط در یک محیط غیر ثابت ارزیابی کرد، به دلیل اینرسی حرارتی عظیم زمین و رژیم سالانه تغییرات دما را در نظر گرفت. مثال تکمیل شده برای یک میدان حرارتی ثابت حل شد، بنابراین نتایج آشکارا نادرستی دارد، بنابراین باید آن را تنها به عنوان نوعی مدل ایده آل با تعداد زیادی از ساده سازی ها در نظر گرفت که توزیع دما را در حالت ثابت نشان می دهد. پس همانطور که می گویند هر تصادفی تصادفی محض است...

***************************************************

طبق معمول، من جزئیات زیادی در مورد رسانایی حرارتی پذیرفته شده و ضخامت مصالح ارائه نمی دهم، خود را به توصیف تنها چند مورد محدود می کنم، ما فرض می کنیم که عناصر دیگر تا حد امکان به سازه های واقعی نزدیک هستند - ویژگی های ترموفیزیکی به درستی اختصاص داده شده اند، و ضخامت مواد برای موارد واقعی تمرین ساختمانی کافی است. هدف این مقاله بدست آوردن یک ایده چارچوبی از توزیع دما در مرز ساختمان-زمین تحت شرایط مختلف است.

کمی در مورد آنچه باید گفته شود. طرح های محاسبه شده در این مثال شامل 3 مرز دما است، اولی هوای داخل ساختمان گرمایش +20 درجه سانتیگراد، دومی هوای بیرونی -10 درجه سانتیگراد (28- درجه سانتیگراد) و سومی دمای خاک در یک عمق معین است که در آن حول یک مقدار ثابت مشخص در نوسان است. در این مثال مقدار این عمق 8 متر و دما +10 درجه سانتیگراد است. در اینجا کسی می تواند در مورد پارامترهای پذیرفته شده مرز سوم با من بحث کند، اما اختلاف در مورد مقادیر دقیقوظیفه این مقاله نیست، همانطور که نتایج به دست آمده ادعای دقت ویژه و امکان اتصال به هر مورد طراحی خاصی را ندارد. تکرار می کنم، کار این است که یک ایده اساسی و چارچوبی از توزیع دما به دست آوریم و برخی از ایده های موجود در این موضوع را آزمایش کنیم.

حالا مستقیم سر اصل مطلب. بنابراین پایان نامه ها باید آزمایش شوند.
1. زمین زیر یک ساختمان گرم شده دارای دمای مثبت است.
2. عمق هنجاری انجماد خاک (این بیشتر یک سوال است تا یک بیانیه). آیا هنگام گزارش داده های یخ زدگی در گزارش های زمین شناسی به پوشش برف خاک توجه می شود زیرا قاعدتاً اطراف خانه از برف پاک می شود، مسیرها، پیاده روها، مناطق کور، پارکینگ و ... پاکسازی می شوند؟

انجماد خاک یک فرآیند در زمان است، بنابراین برای محاسبه دمای بیرون را برابر با میانگین دمای سردترین ماه -10 درجه سانتیگراد می گیریم. خاک را با لامبدا و 1 کاهش یافته برای کل عمق می گیریم.

عکس. 1. طرح محاسبه

شکل 2. ایزوله های دما طرح بدون پوشش برفی.

به طور کلی دمای زمین زیر ساختمان مثبت است. حداکثر به مرکز ساختمان نزدیکتر است، حداقل به دیوارهای بیرونی. ایزولین درجه حرارت صفر به صورت افقی فقط به پیش بینی اتاق گرم شده در صفحه افقی مربوط می شود.
یخ زدن خاک دور از ساختمان (یعنی رسیدن به دمای منفی) در عمق 2.4 متری رخ می دهد که بیشتر از مقدار هنجاری برای منطقه انتخاب شده معمولی (1.4-1.6 متر) است.

حالا 400 میلی متر برف با متراکم متوسط ​​با لامبدا 0.3 اضافه می کنیم.

شکل 3. ایزوله های دما طرح با پوشش برفی 400 میلی متر.

ایزوله های دماهای مثبت، دمای منفی را در بیرون جابه جا می کنند، فقط دمای مثبت زیر ساختمان.
یخ زدگی زمین در زیر پوشش برف ~ 1.2 متر (-0.4 متر برف = 0.8 متر انجماد زمین). "پتو" برف به طور قابل توجهی عمق انجماد را کاهش می دهد (تقریبا 3 برابر).
ظاهراً وجود پوشش برف، ارتفاع و درجه تراکم آن مقدار ثابتی نیست، بنابراین میانگین عمق انجماد در محدوده نتایج 2 طرح (2.4 + 0.8) * 0.5 = 1.6 متر است که با مقدار استاندارد مطابقت دارد.

حال بیایید ببینیم چه اتفاقی می افتد اگر یخبندان شدید (28- درجه سانتیگراد) و به اندازه کافی طولانی بماند تا میدان حرارتی تثبیت شود، در حالی که هیچ پوشش برفی در اطراف ساختمان وجود ندارد.

شکل 4. طرح در -28 O بدون پوشش برفی

دمای منفی به زیر ساختمان می خزد، دمای مثبت به کف اتاق گرم می شود. در ناحیه پی، خاک ها یخ می زنند. در فاصله ای از ساختمان، خاک ها تا 4.7 متر یخ می زنند.

سانتی متر. رکوردهای قبلیوبلاگ.