Temperatura pământului la o adâncime de 2 km. Temperatura adâncă a Pământului

Una dintre cele mai bune metode raționale în construcția de sere capitale este o seră termos subterană.
Utilizarea acestui fapt al constantei temperaturii pământului la o adâncime în construcția unei sere oferă economii uriașe la costurile de încălzire în sezonul rece, facilitează îngrijirea, face microclimatul mai stabil..
O astfel de seră funcționează în cele mai severe înghețuri, vă permite să produceți legume, să creșteți flori pe tot parcursul anului.
O seră îngropată echipată corespunzător face posibilă creșterea, printre altele, a culturilor sudice iubitoare de căldură. Practic nu există restricții. Citricele și chiar ananasul se pot simți grozav într-o seră.
Dar pentru ca totul să funcționeze corect în practică, este imperativ să urmați tehnologiile testate în timp prin care au fost construite sere subterane. La urma urmei, această idee nu este nouă, chiar și sub țarul din Rusia, sere îngropate au dat culturi de ananas, pe care comercianții întreprinzători le-au exportat spre vânzare în Europa.
Din anumite motive, construcția unor astfel de sere nu a găsit o distribuție largă în țara noastră, în mare, este pur și simplu uitată, deși designul este ideal doar pentru clima noastră.
Probabil, necesitatea de a săpa o groapă adâncă și de a turna fundația a jucat un rol aici. Construcția unei sere îngropate este destul de costisitoare, este departe de o seră acoperită cu polietilenă, dar randamentul serei este mult mai mare.
De la adâncirea în pământ, iluminarea internă generală nu se pierde, acest lucru poate părea ciudat, dar în unele cazuri saturația luminii este chiar mai mare decât cea a serelor clasice.
Este imposibil să nu menționăm rezistența și fiabilitatea structurii, este incomparabil mai puternică decât de obicei, este mai ușor de tolerat rafale de uragan, rezistă bine la grindină și blocajele de zăpadă nu vor deveni o piedică.

1. Groapă

Crearea unei sere începe cu săparea unei gropi de fundație. Pentru a folosi căldura pământului pentru a încălzi volumul intern, sera trebuie să fie suficient de adâncită. Cu cât pământul se încălzește mai adânc.
Temperatura aproape că nu se schimbă în timpul anului la o distanță de 2-2,5 metri de suprafață. La o adâncime de 1 m, temperatura solului fluctuează mai mult, dar iarna valoarea ei rămâne pozitivă, de obicei în zona de mijloc temperatura este de 4-10 C, în funcție de anotimp.
O seră îngropată este construită într-un sezon. Adică iarna va putea deja să funcționeze și să genereze venituri. Construcția nu este ieftină, dar prin folosirea ingeniozității, a materialelor de compromis, este posibil să economisiți literalmente un ordin de mărime făcând un fel de opțiune economică pentru o seră, începând cu o groapă de fundație.
De exemplu, faceți fără implicarea echipamentelor de construcții. Deși partea cea mai consumatoare de timp a lucrării - săparea unei gropi - este, desigur, mai bine să o dați unui excavator. Îndepărtarea manuală a unui astfel de volum de teren este dificilă și necesită timp.
Adâncimea gropii de excavare ar trebui să fie de cel puțin doi metri. La o asemenea adâncime, pământul va începe să-și împartă căldura și să funcționeze ca un fel de termos. Dacă adâncimea este mai mică, atunci, în principiu, ideea va funcționa, dar vizibil mai puțin eficient. Prin urmare, este recomandat să nu economisiți efort și bani pentru a adânci viitoarea seră.
Sere subterane pot avea orice lungime, dar este mai bine să păstrați lățimea în 5 metri, dacă lățimea este mai mare, atunci caracteristicile de calitate pentru încălzire și reflectarea luminii se deteriorează.
Pe părțile laterale ale orizontului, serele subterane trebuie să fie orientate, ca serele și serele obișnuite, de la est la vest, adică astfel încât una dintre laturi să fie orientată spre sud. În această poziție, plantele vor primi suma maxima energie solara.

2. Pereți și acoperiș

De-a lungul perimetrului gropii, se toarnă o fundație sau se așează blocuri. Fundația servește ca bază pentru pereții și cadrul structurii. Pereții sunt cel mai bine realizati din materiale cu caracteristici bune de izolare termică, termoblocurile sunt o opțiune excelentă.

Cadrul acoperișului este adesea din lemn, din bare impregnate cu agenți antiseptici. Structura acoperișului este de obicei un fronton drept. O grindă de creastă este fixată în centrul structurii; pentru aceasta, suporturile centrale sunt instalate pe podea pe toată lungimea serei.

Grinda de creastă și pereții sunt conectați printr-un rând de căpriori. Cadrul poate fi realizat fără suporturi înalte. Ele sunt înlocuite cu altele mici, care sunt plasate pe grinzi transversale care leagă părțile opuse ale serei - acest design face spațiul interior mai liber.

Ca acoperiș de acoperiș, este mai bine să luați policarbonat celular - un material modern popular. Distanța dintre căpriori în timpul construcției este ajustată la lățimea foilor de policarbonat. Este convenabil să lucrezi cu materialul. Acoperirea se obține cu un număr mic de îmbinări, deoarece foile sunt produse în lungimi de 12 m.

Ele sunt atașate la cadru cu șuruburi autofiletante, este mai bine să le alegeți cu un capac sub formă de șaibă. Pentru a evita crăparea foii, sub fiecare șurub autofiletant cu burghiu trebuie să se facă o gaură cu diametrul corespunzător. Cu o șurubelniță sau cu un burghiu convențional cu un bit Phillips, lucrările de vitrare se mișcă foarte repede. Pentru a evita golurile, este bine să așezați în prealabil căpriorii de-a lungul vârfului cu un etanșant din cauciuc moale sau alt material adecvat și abia apoi să înșurubați foile. Vârful acoperișului de-a lungul coamei trebuie așezat cu izolație moale și presat cu un fel de colț: plastic, tablă sau alt material adecvat.

Pentru o bună izolare termică, acoperișul este uneori realizat cu un strat dublu de policarbonat. Deși transparența este redusă cu aproximativ 10%, dar aceasta este acoperită de performanțele excelente de izolare termică. Trebuie remarcat faptul că zăpada de pe un astfel de acoperiș nu se topește. Prin urmare, panta trebuie să fie la un unghi suficient, de cel puțin 30 de grade, pentru ca zăpada să nu se acumuleze pe acoperiș. În plus, este instalat un vibrator electric pentru scuturare, acesta va salva acoperișul în cazul în care încă se acumulează zăpadă.

Geamul dublu se realizează în două moduri:

Între două foi se introduce un profil special, foile sunt atașate de cadru de sus;

În primul rând, stratul inferior de geam este atașat de cadru din interior, pe partea inferioară a căpriorii. Acoperișul este acoperit cu al doilea strat, ca de obicei, de sus.

După finalizarea lucrării, este de dorit să lipiți toate îmbinările cu bandă adezivă. Acoperișul finisat arată foarte impresionant: fără îmbinări inutile, neted, fără părți proeminente.

3. Încălzire și încălzire

Izolarea peretelui se realizează după cum urmează. Mai întâi trebuie să acoperiți cu atenție toate îmbinările și cusăturile peretelui cu o soluție, aici puteți aplica și spumă de montaj. Partea interioară a pereților este acoperită cu un film termoizolant.

În zonele reci ale țării, este bine să folosiți folie groasă, acoperind peretele cu un strat dublu.

Temperatura adâncă a solului serei este peste zero, dar mai rece decât temperatura aerului necesară pentru creșterea plantelor. Stratul superior este încălzit de razele soarelui și de aerul serei, dar totuși solul ia căldură, prin urmare, tehnologia „pardoselilor calde” este adesea folosită în serele subterane: elementul de încălzire - un cablu electric - este protejat de un gratar metalic sau turnat cu beton.

În al doilea caz, pământul pentru paturi este turnat peste beton sau verdeața este cultivată în ghivece și ghivece.

Utilizarea încălzirii prin pardoseală poate fi suficientă pentru a încălzi întreaga seră dacă există suficientă putere. Dar este mai eficient și mai confortabil pentru plante să folosească încălzirea combinată: încălzire prin pardoseală + încălzire cu aer. Pentru o creștere bună, au nevoie de o temperatură a aerului de 25-35 de grade la o temperatură a pământului de aproximativ 25 C.

CONCLUZIE

Desigur, construcția unei sere îngropate va costa mai mult și va fi necesar mai mult efort decât în ​​cazul construcției unei sere similare cu un design convențional. Dar fondurile investite în seră-termos sunt justificate în timp.

În primul rând, economisește energie la încălzire. Indiferent cum este încălzit timp de iarna o seră obișnuită la sol, va fi întotdeauna mai scumpă și mai dificilă decât o metodă similară de încălzire într-o seră subterană. În al doilea rând, economisirea luminii. Folia de izolare termică a pereților, reflectând lumina, dublează iluminarea. Microclimatul într-o seră în profunzime în timpul iernii va fi mai favorabil plantelor, ceea ce va afecta cu siguranță randamentul. Răsadurile vor prinde ușor rădăcini, plantele fragede se vor simți grozav. O astfel de seră garantează un randament stabil și ridicat al oricărei plante pe tot parcursul anului.

Imaginați-vă o casă care este întotdeauna la o temperatură confortabilă, fără sistem de încălzire sau de răcire la vedere. Acest sistem funcționează eficient, dar nu necesită întreținere complexă sau cunoștințe speciale din partea proprietarilor.

Aer curat, se aud ciripitul păsărilor și vântul jucându-se leneș cu frunzele de pe copaci. Casa primește energie de la pământ, precum frunzele, care primesc energie de la rădăcini. Superba poza, nu-i asa?

Sistemele geotermale de încălzire și răcire fac acest lucru o realitate. Un sistem geotermal HVAC (încălzire, ventilație și aer condiționat) folosește temperatura solului pentru a oferi încălzire iarna și răcire vara.

Cum funcționează încălzirea și răcirea geotermală

Temperatura ambientală se modifică odată cu anotimpurile, dar temperatura subterană nu se modifică la fel de mult datorită proprietăților izolante ale pământului. La o adâncime de 1,5-2 metri, temperatura rămâne relativ constantă pe tot parcursul anului. Un sistem geotermal constă, de obicei, din echipamente de procesare internă, un sistem de conducte subterane numit buclă subterană și/sau o pompă de circulație a apei. Sistemul folosește temperatura constantă a pământului pentru a furniza energie „curată și liberă”.

(Nu confundați conceptul de sistem NHC geotermal cu „energie geotermală” - un proces în care electricitatea este generată direct din căldura din pământ. În acest din urmă caz, se utilizează un alt tip de echipament și alte procese, scopul dintre care este de obicei încălzirea apei până la punctul de fierbere.)

Conductele care alcătuiesc bucla subterană sunt de obicei realizate din polietilenă și pot fi așezate orizontal sau vertical în subteran, în funcție de teren. Dacă un acvifer este disponibil, atunci inginerii pot proiecta un sistem „în buclă deschisă” prin forarea unui puț în pânza freatică. Apa este pompată, trece printr-un schimbător de căldură și apoi este injectată în același acvifer prin „reinjectare”.

Iarna, apa, trecând printr-o buclă subterană, absoarbe căldura pământului. Echipamentul interior crește și mai mult temperatura și o distribuie în întreaga clădire. Este ca un aparat de aer condiționat care funcționează invers. În timpul verii, un sistem geotermal NWC extrage apă caldă din clădire și o transportă printr-o buclă/pompă subterană către o sondă de reinjecție, de unde apa intră în solul/acviferul mai rece.

Spre deosebire de sistemele convenționale de încălzire și răcire, sistemele geotermale HVAC nu folosesc combustibili fosili pentru a genera căldură. Pur și simplu iau căldură de pe pământ. În mod obișnuit, electricitatea este utilizată doar pentru a funcționa ventilatorul, compresorul și pompa.

Există trei componente principale într-un sistem geotermal de răcire și încălzire: o pompă de căldură, un fluid de schimb de căldură (sistem deschis sau închis) și un sistem de alimentare cu aer (sistem de conducte).

Pentru pompele de căldură geotermale, precum și pentru toate celelalte tipuri de pompe de căldură, a fost măsurat raportul dintre acțiunea lor utilă și energia cheltuită pentru această acțiune (EFICIENȚĂ). Majoritatea sistemelor de pompe de căldură geotermale au o eficiență de 3,0 până la 5,0. Aceasta înseamnă că sistemul transformă o unitate de energie în 3-5 unități de căldură.

Sistemele geotermale nu necesită întreținere complexă. Instalată corespunzător, ceea ce este foarte important, bucla subterană poate servi corespunzător timp de mai multe generații. Ventilatorul, compresorul și pompa sunt adăpostite în interior și protejate de condițiile meteorologice în schimbare, astfel încât pot dura mulți ani, adesea zeci de ani. Verificările periodice de rutină, înlocuirea la timp a filtrului și curățarea anuală a bobinei sunt singura întreținere necesară.

Experiență în utilizarea sistemelor geotermale NVC

Sistemele geotermale NVC au fost utilizate de peste 60 de ani în întreaga lume. Ei lucrează cu natura, nu împotriva ei și nu emit gaze cu efect de seră (după cum am menționat mai devreme, folosesc mai puțină energie electrică deoarece folosesc temperatura constantă a pământului).

Sistemele geotermale NVC devin din ce în ce mai mult atribute ale caselor verzi, ca parte a mișcării în creștere a clădirilor verzi. Proiectele ecologice au reprezentat 20% din toate casele construite în SUA anul trecut. Un articol din Wall Street Journal spune că până în 2016 bugetul clădirilor verzi va crește de la 36 de miliarde de dolari pe an la 114 de miliarde de dolari. Aceasta va reprezenta 30-40 la sută din întreaga piață imobiliară.

Dar multe dintre informațiile despre încălzirea și răcirea geotermale se bazează pe date învechite sau pe mituri nefondate.

Distrugerea miturilor despre sistemele NWC geotermale

1. Sistemele geotermale NVC nu sunt o tehnologie regenerabilă deoarece folosesc energie electrică.

Realitate: Sistemele geotermale HVAC folosesc doar o unitate de electricitate pentru a produce până la cinci unități de răcire sau încălzire.

2. Energia solară și energia eoliană sunt tehnologii regenerabile mai favorabile în comparație cu sistemele NVC geotermale.

Realitate: Sistemele geotermale NVC pentru un dolar procesează de patru ori mai mulți kilowați/oră decât generează energia solară sau eoliană pentru același dolar. Aceste tehnologii pot, desigur, să joace un rol important pentru mediu, dar sistemul geotermal NVC este adesea cel mai eficient și într-un mod economic reduce impactul asupra mediului.

3. Sistemul geotermal NVC necesită mult spațiu pentru a găzdui țevile de polietilenă ale buclei subterane.

Fapt: În funcție de teren, bucla subterană poate fi amplasată vertical, ceea ce înseamnă că o mică suprafața pământului. Dacă există un acvifer disponibil, atunci este nevoie de doar câțiva metri pătrați de suprafață. Rețineți că apa se întoarce în același acvifer din care a fost luată după ce a trecut prin schimbătorul de căldură. Astfel, apa nu este scursă și nu poluează acviferul.

4. Pompele de căldură geotermale HVK sunt zgomotoase.

Fapt: Sistemele sunt foarte silențioase și nu există echipamente afară pentru a nu deranja vecinii.

5. Sistemele geotermale se uzează în cele din urmă.

Realitate: Buclele subterane pot dura generații. Echipamentul de schimb de căldură durează de obicei zeci de ani, deoarece este protejat în interior. Când vine timpul să fie nevoie să înlocuiți echipamentul, costul unei astfel de înlocuiri este mult mai mic decât un nou sistem geotermal, deoarece bucla subterană și puțul sunt părțile sale cele mai scumpe. Noile soluții tehnice elimină problema reținerii căldurii în sol, astfel încât sistemul poate schimba temperaturi în cantități nelimitate. Au existat cazuri de sisteme calculate greșit în trecut, care de fapt au supraîncălzit sau au subrăcit solul până la punctul în care nu mai exista diferența de temperatură necesară pentru a funcționa sistemul.

6. Sistemele geotermale HVAC funcționează doar pentru încălzire.

Realitate: funcționează la fel de eficient pentru răcire și pot fi proiectate astfel încât să nu fie nevoie de o sursă suplimentară de căldură de rezervă. Deși unii clienți decid că este mai rentabil să aibă un sistem mic de rezervă pentru perioadele cele mai reci. Aceasta înseamnă că bucla lor subterană va fi mai mică și, prin urmare, mai ieftină.

7. Sistemele geotermale HVAC nu pot încălzi simultan apa menajeră, apa din piscină și încălzirea unei case.

Realitate: Sistemele pot fi proiectate pentru a îndeplini mai multe funcții în același timp.

8. Sistemele geotermale NHC poluează solul cu agenți frigorifici.

Realitate: Majoritatea sistemelor folosesc doar apă în balamale.

9. Sistemele geotermale NWC folosesc multă apă.

Realitate: Sistemele geotermale nu consumă de fapt apă. Dacă apa subterană este folosită pentru schimbul de temperatură, atunci toată apa se întoarce în același acvifer. În trecut, într-adevăr, erau folosite unele sisteme care iroseau apa după ce a trecut prin schimbătorul de căldură, dar astfel de sisteme sunt cu greu folosite astăzi. Privind problema din punct de vedere comercial, sistemele geotermale HC economisesc de fapt milioane de litri de apă care ar fi fost evaporată în sistemele tradiționale.

10. Tehnologia geotermală NVC nu este fezabilă din punct de vedere financiar fără stimulente fiscale de stat și regionale.

Realitate: stimulentele de stat și regionale se ridică de obicei la 30 până la 60 la sută din costul total al unui sistem geotermal, ceea ce poate aduce adesea prețul inițial aproape de prețul echipamentului convențional. Sistemele standard de aer HVAC costă aproximativ 3.000 USD pe tonă de căldură sau rece (casele folosesc de obicei una până la cinci tone). Prețul sistemelor geotermale NVC variază de la aproximativ 5.000 USD pe tonă la 8.000-9.000 USD. Cu toate acestea, noile metode de instalare reduc semnificativ costurile, până la prețurile sistemelor convenționale.

Economii de costuri pot fi realizate și prin reduceri la echipamente de uz public sau comercial, sau chiar comenzi mari pentru casă (în special de la mărci mari precum Bosch, Carrier și Trane). Buclele deschise, folosind o pompă și un puț de reinjecție, sunt mai ieftin de instalat decât sistemele închise.

Sursa: energyblog.nationalgeographic.com

Descriere:

Spre deosebire de utilizarea „directă” a căldurii geotermale cu potențial ridicat (resurse hidrotermale), utilizarea solului straturilor de suprafață ale Pământului ca sursă de potențial scăzut. energie termală pentru sistemele de alimentare cu căldură cu pompă de căldură geotermală (GTST) este posibil aproape peste tot. În prezent, aceasta este una dintre zonele cu cea mai dinamică dezvoltare pentru utilizarea surselor de energie regenerabilă netradițională din lume.

Sisteme geotermale de pompe de căldură de alimentare cu căldură și eficiența aplicării lor în condițiile climatice ale Rusiei

G. P. Vasiliev, director științific al SA „INSOLAR-INVEST”

Spre deosebire de utilizarea „directă” a căldurii geotermale cu potențial ridicat (resurse hidrotermale), utilizarea solului straturilor de suprafață ale Pământului ca sursă de energie termică de calitate scăzută pentru sistemele de alimentare cu căldură cu pompe de căldură geotermale (GHPS) este posibil aproape peste tot. În prezent, aceasta este una dintre zonele cu cea mai dinamică dezvoltare pentru utilizarea surselor de energie regenerabilă netradițională din lume.

Solul straturilor de suprafață ale Pământului este de fapt un acumulator de căldură de putere nelimitată. Regimul termic al solului se formează sub influența a doi factori principali - radiația solară incidentă la suprafață și fluxul de căldură radiogenă din interiorul pământului. Modificările sezoniere și zilnice ale intensității radiației solare și ale temperaturii exterioare provoacă fluctuații ale temperaturii straturilor superioare ale solului. Adâncimea de pătrundere a fluctuațiilor zilnice ale temperaturii aerului exterior și intensitatea radiației solare incidente, în funcție de sol- condiții 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 termic al straturilor de sol situate sub această adâncime („zona neutră”) se formează sub influența energiei termice provenite din intestinele Pământului și practic nu depinde de schimbările sezoniere și cu atât mai mult zilnice ale parametrilor climatului exterior ( Fig. 1). Odată cu creșterea adâncimii, temperatura solului crește și în funcție de gradientul geotermal (aproximativ 3 °C la fiecare 100 m). Mărimea fluxului de căldură radiogenă provenită din intestinele pământului variază pentru diferite localități. De regulă, această valoare este de 0,05–0,12 W / m 2.

În timpul funcționării centralei cu turbină cu gaz, masa de sol situată în zona de influență termică a registrului de țevi ale schimbătorului de căldură din sol al sistemului de colectare a căldurii solului de calitate scăzută (sistem de colectare a căldurii), din cauza schimbărilor sezoniere în parametrii climatului extern, precum și sub influența sarcinilor operaționale asupra sistemului de colectare a căldurii, de regulă, este supusă înghețului și dezghețării repetate. In acest caz, in mod natural, se produce o modificare a starii de agregare a umiditatii continute in porii solului si, in cazul general, atat in faza lichida cat si in faza solida si gazoasa simultan. În același timp, în sistemele capilar-poroase, care este masa de sol a sistemului de colectare a căldurii, prezența umidității în spațiul porilor are un efect vizibil asupra procesului de propagare a căldurii. Contabilitatea corectă a acestei influențe astăzi este asociată cu dificultăți semnificative, care sunt asociate în primul rând cu lipsa unor idei clare despre natura distribuției fazelor solide, lichide și gazoase ale umidității într-o anumită structură a sistemului. Dacă există un gradient de temperatură în grosimea masei de sol, moleculele de vapori de apă se deplasează în locuri cu un potențial de temperatură mai scăzut, dar, în același timp, sub acțiunea forțelor gravitaționale, are loc un flux de umiditate în direcția opusă în faza lichidă. . În plus, pe regim de temperatură straturile superioare ale solului sunt afectate de umiditate precipitare precum și a apelor subterane.

Trăsăturile caracteristice ale regimului termic al sistemelor de captare a căldurii din sol ca obiect de proiectare ar trebui să includă și așa-numita „incertitudine informativă” a modelelor matematice care descriu astfel de procese sau, cu alte cuvinte, lipsa de informații fiabile despre efectele asupra sistemul de mediu (atmosfera și masa de sol situate în afara zonei de influență termică a schimbătorului de căldură din sol al sistemului de colectare a căldurii) și complexitatea extremă a aproximării acestora. Într-adevăr, dacă aproximarea impacturilor asupra sistemului climatic exterior, deși complicată, poate fi totuși implementată cu anumite costuri de „timpul computerului” și utilizarea modelelor existente (de exemplu, un „an climatic tipic”), atunci problema de luarea în considerare a impactului asupra sistemului atmosferic în influențele modelului (roua, ceață, ploaie, zăpadă etc.), precum și aproximarea efectului termic asupra masei de sol a sistemului de captare a căldurii a subiacente și înconjurătoare. straturilor de sol, este practic de nerezolvat astăzi și ar putea face obiectul unor studii separate. Deci, de exemplu, puține cunoștințe despre procesele de formare a fluxurilor de filtrare a apelor subterane, regimul de viteză al acestora, precum și imposibilitatea de a obține informații fiabile despre regimul de căldură și umiditate al straturilor de sol situate sub zona de influență termică a căldurii solului. schimbător, complică foarte mult sarcina construirii unui model matematic corect al regimului termic al unui sistem de colectare a căldurii cu potențial scăzut.sol.

Pentru a depăși dificultățile descrise care apar la proiectarea unei centrale cu turbină cu gaz, metoda dezvoltată și testată în practică de modelare matematică a regimului termic al sistemelor de captare a căldurii din sol și metoda de luare în considerare a tranzițiilor de fază ale umidității în spațiul poros al masivul de sol al sistemelor de captare a căldurii la proiectarea centralelor cu turbine cu gaz poate fi recomandat.

Esența metodei este de a lua în considerare, la construirea unui model matematic, diferența dintre două probleme: problema „de bază” care descrie regimul termic al solului în starea sa naturală (fără influența schimbătorului de căldură din sol al căldurii). sistem de colectare), și problema de rezolvat care descrie regimul termic al masei de sol cu ​​radiatoare (surse). Ca urmare, metoda face posibilă obținerea unei soluții cu privire la unele optiune noua, care este o funcție a influenței radiatoarelor asupra regimului termic natural al solului și este egală cu diferența de temperatură dintre masa solului în stare naturală și masa solului cu drenuri (surse de căldură) - cu schimbătorul de căldură la sol a sistemului de colectare a căldurii. Utilizarea acestei metode în construirea modelelor matematice ale regimului termic al sistemelor de colectare a căldurii solului cu potențial scăzut a făcut posibilă nu numai ocolirea dificultăților asociate cu aproximarea influențelor externe asupra sistemului de colectare a căldurii, ci și utilizarea în modelează informaţiile obţinute experimental de staţiile meteorologice asupra regimului termic natural al solului. Acest lucru face posibilă luarea în considerare parțială a întregului complex de factori (cum ar fi prezența apei subterane, viteza și regimurile termice ale acesteia, structura și locația straturilor de sol, fundalul „termic” al Pământului, precipitare, transformări de fază ale umidității în spațiul porilor și multe altele), care afectează cel mai semnificativ formarea regimului termic al sistemului de colectare a căldurii și care sunt practic imposibil de luat în considerare într-o formulare strictă a problemei.

Metoda de luare în considerare a tranzițiilor de fază ale umidității în spațiul porilor unei mase de sol la proiectarea unei centrale cu turbină cu gaz se bazează pe un nou concept de conductivitate termică „echivalentă” a solului, care este determinată prin înlocuirea problemei termice. regim al unui cilindru de sol înghețat în jurul țevilor unui schimbător de căldură din sol cu ​​o problemă cvasi-staționară „echivalentă” cu un câmp de temperatură apropiat și condiții la limită identice, dar cu o conductivitate termică „echivalentă” diferită.

Cea mai importantă sarcină care trebuie rezolvată în proiectarea sistemelor geotermale de alimentare cu căldură pentru clădiri este o evaluare detaliată a capacităților energetice ale climei zonei de construcție și, pe această bază, elaborarea unei concluzii cu privire la eficacitatea și fezabilitatea utilizării uneia. sau un alt design de circuit al GTTS. Valorile calculate ale parametrilor climatici din documentele de reglementare actuale nu dau caracteristici complete climatul exterior, variabilitatea acestuia pe luni, precum și în anumite perioade ale anului - sezonul de încălzire, perioada de supraîncălzire etc. Prin urmare, atunci când se decide asupra potențialului de temperatură al căldurii geotermale, se evaluează posibilitatea combinării acesteia cu alte temperaturi scăzute. -potenţialele surse naturale de căldură, evaluând nivelul de temperatură al acestora (surselor) în ciclul anual, este necesară implicarea unor date climatice mai complete, date, de exemplu, în Manualul Climatic al URSS (L.: Gidrometioizdat. Numărul 1–34).

Dintre astfel de informații climatice, în cazul nostru, ar trebui să evidențiem, în primul rând:

– date privind temperatura medie lunară a solului la diferite adâncimi;

– date privind sosirea radiației solare pe suprafețe orientate diferit.

În tabel. Tabelele 1–5 prezintă date privind temperaturile medii lunare ale solului la diferite adâncimi pentru unele orașe rusești. În tabel. Tabelul 1 prezintă temperaturile medii lunare ale solului pentru 23 de orașe ale Federației Ruse la o adâncime de 1,6 m, ceea ce pare a fi cel mai rațional din punct de vedere al potențialului de temperatură al solului și al posibilităților de mecanizare a producției de lucrări la pozare. a schimbătoarelor de căldură orizontale din sol.

Informațiile prezentate în tabelele privind cursul natural al temperaturilor solului la o adâncime de până la 3,2 m (adică în stratul de sol „de lucru” pentru o centrală electrică cu turbină cu gaz cu un schimbător de căldură în sol orizontal) ilustrează clar posibilitățile de utilizare. solul ca sursă de căldură cu potențial scăzut. Intervalul relativ mic de modificare a temperaturii straturilor situate la aceeași adâncime pe teritoriul Rusiei este evident. Deci, de exemplu, temperatura minimă a solului la o adâncime de 3,2 m de la suprafață în orașul Stavropol este de 7,4 °C, iar în orașul Yakutsk - (-4,4 °C); în consecință, intervalul de modificări ale temperaturii solului la o anumită adâncime este de 11,8 grade. Acest fapt ne permite să mizăm pe crearea unui echipament de pompă de căldură suficient de unificat, adecvat pentru funcționare practic în toată Rusia.

După cum se poate observa din tabelele prezentate, trăsătură caracteristică Regimul natural de temperatură al solului este întârzierea temperaturilor minime ale solului în raport cu momentul sosirii temperaturilor minime ale aerului exterior. Temperaturile minime ale aerului exterior sunt observate peste tot în ianuarie, temperaturile minime în sol la o adâncime de 1,6 m în Stavropol sunt observate în martie, în Yakutsk - în martie, în Soci - în martie, în Vladivostok - în aprilie. Astfel, este evident că până la momentul apariției temperaturilor minime în sol, sarcina asupra sistemului de alimentare cu căldură cu pompa de căldură (pierderea de căldură a clădirii) este redusă. Acest punct deschide oportunități destul de serioase pentru reducerea capacității instalate a GTTS (economii de capital) și trebuie luat în considerare la proiectare.

Pentru a evalua eficacitatea utilizării sistemelor de alimentare cu căldură cu pompe geotermale de căldură în condițiile climatice ale Rusiei, zonarea teritoriului Federației Ruse a fost efectuată în funcție de eficiența utilizării căldurii geotermale cu potențial scăzut în scopul furnizării de căldură. Zonarea a fost efectuată pe baza rezultatelor experimentelor numerice privind modelarea modurilor de funcționare ale GTTS în condițiile climatice ale diferitelor regiuni de pe teritoriul Federației Ruse. Experimentele numerice au fost efectuate pe exemplul unei cabane ipotetice cu două etaje, cu o suprafață încălzită de 200 m 2 , echipată cu un sistem de alimentare cu căldură cu pompă de căldură geotermală. Structurile de închidere exterioare ale casei luate în considerare au următoarele rezistențe reduse la transferul de căldură:

- pereți exteriori - 3,2 m 2 h ° C / W;

- ferestre și uși - 0,6 m 2 h ° C / W;

- acoperiri și tavane - 4,2 m 2 h ° C / W.

La efectuarea experimentelor numerice s-au luat în considerare următoarele:

– sistem de captare a căldurii din sol cu ​​densitate redusă a consumului de energie geotermală;

– sistem orizontal de captare a căldurii din țevi de polietilenă cu diametrul de 0,05 m și lungimea de 400 m;

– sistem de captare a căldurii din sol cu ​​o densitate mare a consumului de energie geotermală;

– sistem vertical de captare a căldurii dintr-un puț termic cu diametrul de 0,16 m și lungimea de 40 m.

Studiile efectuate au arătat că consumul de energie termică din masa solului până la sfârșitul sezonului de încălzire determină o scădere a temperaturii solului în apropierea registrului conductelor sistemului de captare a căldurii, ceea ce, în condițiile solului și climatice ale majorității teritoriul Federației Ruse, nu are timp să fie compensat în perioada de vara an, iar la începutul următorului sezon de încălzire, solul iese cu un potențial de temperatură mai scăzut. 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... Totuși, anvelopele influenței termice a funcționării pe termen lung a sistemului de captare a căldurii asupra regimului natural de temperatură al solului au un caracter exponențial pronunțat, iar până în al cincilea an de funcționare, solul intră într-un regim nou apropiat de periodic, adică, începând din al cincilea an de funcționare, consumul pe termen lung de energie termică din masa de sol a sistemului de colectare a căldurii este însoțit de modificări periodice ale temperaturii acestuia. Astfel, la zonarea teritoriului Federației Ruse, a fost necesar să se ia în considerare scăderea temperaturii masivului de sol, cauzată de funcționarea pe termen lung a sistemului de colectare a căldurii, și să se utilizeze temperaturile solului așteptate pentru al 5-lea an. de funcţionare a GTTS ca parametri de proiectare pentru temperaturile masivului de sol. Ținând cont de această circumstanță, la zonarea teritoriului Federației Ruse în funcție de eficiența utilizării GTES, ca criteriu pentru eficacitatea sistemului de alimentare cu căldură cu pompă de căldură geotermală, coeficientul mediu de transformare a căldurii pentru al 5-lea an de funcționare a fost ales Kr tr, care este raportul dintre energia termică utilă generată de GTST și energia cheltuită pe acționarea sa și definită pentru ciclul Carnot termodinamic ideal după cum urmează:

K tr \u003d T o / (T o - T u), (1)

unde T o este potențialul de temperatură al căldurii evacuate către sistemul de încălzire sau de alimentare cu căldură, K;

T și - potențialul de temperatură al sursei de căldură, K.

Coeficientul de transformare al sistemului de alimentare cu căldură cu pompă de căldură K tr este raportul dintre căldura utilă evacuată în sistemul de alimentare cu căldură al consumatorului și energia cheltuită pentru funcționarea GTST și este numeric egal cu cantitatea de căldură utilă obținută la temperaturile T o și T și pe unitatea de energie cheltuită pe unitatea GTST . Raportul de transformare real diferă de cel ideal, descris prin formula (1), prin valoarea coeficientului h, care ia în considerare gradul de perfecțiune termodinamică a GTST și pierderile ireversibile de energie în timpul implementării ciclului.

Experimentele numerice au fost realizate cu ajutorul unui program creat la INSOLAR-INVEST OJSC, care asigură determinarea parametrilor optimi ai sistemului de captare a căldurii în funcție de condițiile climatice ale zonei de construcție, de calitățile de termoprotecție ale clădirii, caracteristicile de performanță ale echipamentului pompei de căldură, pompe de circulatie, dispozitivele de încălzire ale sistemului de încălzire, precum și modurile de funcționare ale acestora. Programul se bazează pe metoda descrisă anterior pentru construirea modelelor matematice ale regimului termic al sistemelor de colectare a căldurii solului cu potențial scăzut, care a făcut posibilă ocolirea dificultăților asociate cu incertitudinea informativă a modelelor și aproximarea influențelor externe, datorită utilizării în program a informațiilor obținute experimental cu privire la regimul termic natural al solului, ceea ce face posibilă luarea în considerare parțială a întregului complex de factori (cum ar fi prezența apelor subterane, viteza și regimurile termice ale acestora, structura și localizarea straturilor de sol, fundalul „termic” al Pământului, precipitațiile, transformările de fază ale umidității în spațiul porilor și multe altele) care afectează cel mai semnificativ formarea regimului termic al colectării de căldură a sistemului și contabilizarea comună dintre care într-o formulare strictă a problemei este practic imposibil astăzi. Ca o soluție la problema „de bază”, au fost folosite date din Manualul Climatic al URSS (L.: Gidrometioizdat. Numărul 1–34).

Programul permite de fapt rezolvarea problemei de optimizare multi-parametrică a configurației GTTS pentru o anumită clădire și zonă de construcție. În același timp, funcția țintă a problemei de optimizare este costurile minime anuale de energie pentru funcționarea centralei cu turbine cu gaz, iar criteriile de optimizare sunt raza conductelor schimbătorului de căldură din sol, lungimea acestuia (schimbător de căldură). si profunzime.

Rezultatele experimentelor numerice și zonarea teritoriului Rusiei în ceea ce privește eficiența utilizării căldurii geotermale cu potențial scăzut în scopul furnizării de căldură a clădirilor sunt prezentate grafic în Fig. 1. 2–9.

Pe fig. 2 prezintă valorile și izoliniile coeficientului de transformare al sistemelor de alimentare cu căldură cu pompe de căldură geotermale cu sisteme orizontale de colectare a căldurii, iar în fig. 3 - pentru GTST cu sisteme verticale de colectare a căldurii. După cum se poate observa din cifre, valorile maxime de Крр 4,24 pentru sistemele orizontale de captare a căldurii și 4,14 pentru sistemele verticale pot fi așteptate în sudul Rusiei, iar valorile minime, respectiv, 2,87 și, respectiv, 2,73 în nord, în Uelen. Pentru Rusia centrală, valorile Кр tr pentru sistemele orizontale de colectare a căldurii sunt în intervalul 3,4–3,6, iar pentru sistemele verticale, în intervalul 3,2–3,4. Valorile relativ mari ale Кр tr (3,2–3,5) sunt demne de remarcat pentru regiunile din Orientul Îndepărtat, regiuni cu condiții tradiționale dificile de alimentare cu combustibil. Aparent Orientul îndepărtat este o regiune de implementare prioritară a GTST.

Pe fig. Figura 4 prezintă valorile și izoliniile costurilor energetice anuale specifice pentru acționarea GTST + PD „orizontală” (vârf mai apropiat), inclusiv costurile energetice pentru încălzire, ventilație și alimentare cu apă caldă, reduse la 1 m 2 din energia încălzită. zona, iar în fig. 5 - pentru GTST cu sisteme verticale de colectare a căldurii. După cum se poate observa din cifre, consumul specific anual de energie pentru antrenarea centralelor orizontale cu turbine cu gaz, redus la 1 m 2 din suprafața încălzită a clădirii, variază de la 28,8 kWh / (an m 2) în sudul Rusiei la 241 kWh / (an m 2) la Moscova.Yakutsk, iar pentru centralele electrice cu turbine cu gaz verticale, respectiv, de la 28,7 kWh / / (an m 2) în sud și până la 248 kWh / / ( anul m 2) în Yakutsk. Dacă înmulțim valoarea consumului anual specific de energie pentru antrenarea centralei cu turbine cu gaz prezentate în cifrele pentru o anumită zonă cu valoarea pentru această zonă K p tr, redusă cu 1, vom obține cantitatea de energie economisită de centrala cu turbina cu gaz de la 1 m 2 suprafata incalzita pe an. De exemplu, pentru Moscova, pentru o centrală electrică cu turbină cu gaz verticală, această valoare va fi de 189,2 kWh la 1 m2 pe an. Pentru comparație, putem cita valorile consumului specific de energie stabilite de standardele de economisire a energiei de la Moscova MGSN 2.01–99 pentru clădirile joase la nivelul de 130 și pentru clădirile cu mai multe etaje 95 kWh / (an m 2) . În același timp, costurile cu energia normalizate prin MGSN 2.01–99 includ doar costurile cu energia pentru încălzire și ventilație, în cazul nostru, costurile cu energia includ și costurile cu energia pentru alimentarea cu apă caldă. Cert este că abordarea evaluării costurilor energetice pentru funcționarea unei clădiri, existentă în standardele actuale, evidențiază costurile energetice pentru încălzirea și ventilația clădirii și costurile cu energia pentru alimentarea cu apă caldă a acesteia ca elemente separate. În același timp, costurile cu energia pentru alimentarea cu apă caldă nu sunt standardizate. Această abordare nu pare corectă, deoarece costurile cu energie pentru alimentarea cu apă caldă sunt adesea proporționale cu costurile cu energia pentru încălzire și ventilație.

Pe fig. 6 prezintă valorile și izoliniile raportului rațional dintre puterea termică a închiderii de vârf (PD) și puterea electrică instalată a GTST orizontal în fracții de unitate, iar în fig. 7 - pentru GTST cu sisteme verticale de colectare a căldurii. Criteriul pentru raportul rațional dintre puterea termică a mai aproape de vârf și puterea electrică instalată a GTST (excluzând PD) a fost costul minim anual al energiei electrice pentru acționarea GTST + PD. După cum se poate observa din cifre, raportul rațional al capacităților PD termic și GTPP electric (fără PD) variază de la 0 în sudul Rusiei, la 2,88 pentru GTPP orizontal și 2,92 pentru sistemele verticale din Yakutsk. În banda centrală a teritoriului Federației Ruse, raportul rațional dintre puterea termică a închiderii ușii și puterea electrică instalată a GTST + PD este de 1,1–1,3 atât pentru GTST orizontal, cât și vertical. În acest moment, este necesar să ne oprim mai în detaliu. Cert este că atunci când înlocuim, de exemplu, încălzirea electrică în Rusia Centrală, avem de fapt posibilitatea de a reduce puterea echipamentelor electrice instalate într-o clădire încălzită cu 35-40% și, în consecință, de a reduce puterea electrică solicitată de la RAO UES , care astăzi „costă » aproximativ 50 de mii de ruble. la 1 kW de putere electrică instalată în casă. Deci, de exemplu, pentru o cabană cu pierderi de căldură calculate în cea mai rece perioadă de cinci zile, egale cu 15 kW, vom economisi 6 kW de energie electrică instalată și, în consecință, aproximativ 300 de mii de ruble. sau ≈ 11,5 mii de dolari SUA. Această cifră este practic egală cu costul unui GTST cu o astfel de capacitate termică.

Astfel, dacă luăm în considerare corect toate costurile asociate cu conectarea unei clădiri la o sursă de energie centralizată, se dovedește că, cu tarifele actuale pentru energie electrică și conectarea la rețelele centralizate de alimentare cu energie electrică din Fâșia Centrală a teritoriului Federației Ruse , chiar și în ceea ce privește costurile unice, GTST se dovedește a fi mai profitabil decât încălzirea electrică, ca să nu mai vorbim de economii de energie de 60%.

Pe fig. 8 prezintă valorile și izoliniile ponderii energiei termice generate în cursul anului de un vârf mai apropiat (PD) în consumul total anual de energie al sistemului orizontal GTST + PD ca procent, iar în fig. 9 - pentru GTST cu sisteme verticale de captare a căldurii. După cum se poate observa din cifre, ponderea energiei termice generată în cursul anului de un vârf mai apropiat (PD) în consumul total anual de energie al sistemului orizontal GTST + PD variază de la 0% în sudul Rusiei până la 38–40. % în Yakutsk și Tura, iar pentru verticală GTST+PD - respectiv, de la 0% în sud și până la 48,5% în Yakutsk. În zona centrală a Rusiei, aceste valori sunt de aproximativ 5-7% atât pentru GTS vertical, cât și orizontal. Acestea sunt costuri mici de energie și, în acest sens, trebuie să fii atent la alegerea unui vârf mai aproape. Cei mai raționali din punct de vedere atât al investițiilor de capital specifice în 1 kW de putere, cât și al automatizării sunt șoferii electrici de vârf. De remarcat este utilizarea cazanelor pe peleți.

În concluzie, aș dori să mă opresc pe o problemă foarte importantă: problema alegerii unui nivel rațional de protecție termică a clădirilor. Această problemă este astăzi o sarcină foarte serioasă, a cărei rezolvare necesită o analiză numerică serioasă, care să țină cont de specificul climatului nostru, precum și de caracteristicile echipamentelor inginerești utilizate, de infrastructura rețelelor centralizate, precum și de situația de mediu din orașe, care se deteriorează literalmente în fața ochilor noștri și multe altele. Este evident că astăzi este deja incorect să se formuleze orice cerințe pentru învelișul clădirii fără a ține cont de relația acesteia (clădirea) cu clima și sistemul de alimentare cu energie, utilități etc. Ca urmare, în viitorul foarte apropiat, soluția la problema alegerii unui nivel rațional de protecție termică va fi posibilă numai pe baza luării în considerare a clădirii complexe + sistem de alimentare cu energie + climă + mediu inconjurator ca un sistem ecoenergetic unic și cu această abordare avantaje competitive GTST pe piața internă este greu de supraestimat.

Literatură

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

2. Vasiliev G. P. Nivel fezabil economic de protecție termică a clădirilor // Economie de energie. - 2002. - Nr. 5.

3. Vasiliev G. P. Alimentarea cu căldură și frig a clădirilor și structurilor folosind energia termică cu potențial scăzut a straturilor de suprafață ale Pământului: Monografie. Editura „Border”. – M. : Krasnaya Zvezda, 2006.

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

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

Fotografie de Igor Konstantinov.

Modificarea temperaturii solului cu adâncimea.

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

Schimbarea temperaturii cu adâncimea în diferite regiuni.

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

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

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

Energia geotermală este căldura din interiorul pământului. Se produce în adâncuri și iese la suprafața Pământului sub diferite forme și cu intensitate diferită.

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

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

Când temperatura medie anuală aerul din zonă este sub zero, acesta se manifestă ca permafrost (mai precis, permafrost). ÎN Siberia de Est grosimea, adică grosimea, a solurilor înghețate pe tot parcursul anului ajunge la 200-300 m pe alocuri.

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

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

Fluxul de căldură din interiorul pământului, care ajunge la suprafața Pământului, este mic - în medie, puterea sa este de 0,03-0,05 W / m 2,
sau aproximativ 350 Wh/m 2 pe an. Pe fondul fluxului de căldură de la Soare și al aerului încălzit de acesta, aceasta este o valoare imperceptibilă: Soarele 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 de la adâncime la suprafață în cea mai mare parte a planetei este asociată cu conductivitatea termică scăzută a rocilor și particularitățile structurii geologice. Dar există și excepții - locuri în care fluxul de căldură este mare. Acestea sunt, în primul rând, zone de falii tectonice, activitate seismică crescută și vulcanism, unde energia din interiorul pământului găsește o cale de ieșire. Astfel de zone sunt caracterizate de anomalii termice ale litosferei, aici fluxul de căldură care ajunge la suprafața Pământului poate fi de multe ori și chiar ordine de mărime mai puternic decât cel „obișnuit”. O cantitate imensă de căldură este adusă la suprafață în aceste zone de erupțiile vulcanice și izvoarele termale de apă.

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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 este suficientă temperaturi mari, de regulă, începe de la adâncimi de câțiva kilometri.

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

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

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

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

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

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

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

„Îmblânzirea” energiei geotermale în secolul al XX-lea a ajutat în mod semnificativ Islanda 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, fiind în top zece în ceea ce privește capacitatea instalată absolută de energie geotermală. plantelor. Cu toate acestea, populația sa este de doar 300 de mii de oameni, ceea ce simplifică sarcina de a trece la surse de energie ecologice: nevoia este în general mică.

Pe lângă Islanda, o pondere mare a energiei geotermale în soldul total al producției de energie electrică este asigurată în Noua Zeelandă și statele insulare din Asia de Sud-Est (Filipine și Indonezia), țările din America Centrală și Africa de Est, al căror teritoriu este și el 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.

(Urmează sfârșitul.)

În loc de prefață.
Oameni deștepți și binevoitori mi-au atras atenția că nu acest caz ar trebui evaluat doar într-un cadru non-staționar, din cauza inerției termice uriașe a pământului și să țină cont de regimul anual al schimbărilor de temperatură. Exemplul completat a fost rezolvat pentru un câmp termic staționar, prin urmare are rezultate în mod evident incorecte, deci ar trebui considerat doar un fel de model idealizat cu un număr mare de simplificări care arată distribuția temperaturii într-un mod staționar. Deci, după cum se spune, orice coincidență este pură coincidență...

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

Ca de obicei, nu voi da multe detalii despre conductivitățile termice acceptate și grosimile materialelor, mă voi limita la a descrie doar câteva, presupunem că alte elemente sunt cât mai apropiate de structurile reale - caracteristicile termofizice sunt atribuite corect, iar grosimile materialelor sunt adecvate cazurilor reale de practica de constructii. Scopul articolului este de a obține o idee-cadru a distribuției temperaturii la limita clădire-teren în diferite condiții.

Un pic despre ceea ce trebuie spus. Schemele calculate din acest exemplu conțin 3 limite de temperatură, prima este aerul interior al clădirii încălzite +20 o C, a doua este aerul exterior -10 o C (-28 o C), iar a treia este temperatura din sol la o anumită adâncime, la care fluctuează în jurul unei anumite valori constante. În acest exemplu, valoarea acestei adâncimi este de 8 m, iar temperatura este de +10 ° C. Aici, cineva poate să mă argumenteze cu privire la parametrii acceptați ai celei de-a 3-a granițe, dar disputa despre valori exacte nu este sarcina acestui articol, la fel cum rezultatele obținute nu pretind o acuratețe deosebită și posibilitatea de a se lega la orice caz particular de proiectare. Repet, sarcina este de a obține o idee fundamentală, cadru, a distribuției temperaturii și de a testa unele dintre ideile stabilite pe această problemă.

Acum direct la obiect. Deci tezele de testat.
1. Solul de sub o clădire încălzită are o temperatură pozitivă.
2. Adâncimea normativă a înghețului solului (aceasta este mai mult o întrebare decât o afirmație). Se ține cont de stratul de zăpadă al solului la raportarea datelor de îngheț în rapoartele geologice, deoarece, de regulă, zona din jurul casei este deszăpezită, se curăță potecile, trotuarele, zonele oarbe, parcările etc.?

Înghețarea solului este un proces în timp, așa că pentru calcul vom lua temperatura exterioară egală cu temperatura medie a lunii cele mai reci -10 o C. Vom lua solul cu lambda redusă \u003d 1 pentru întreaga adâncime.

Fig.1. Schema de calcul.

Fig.2. Izolinii de temperatură. Schema fara strat de zapada.

În general, temperatura solului de sub clădire este pozitivă. Maximele sunt mai aproape de centrul clădirii, minimele de pereții exteriori. Izolinia temperaturilor zero pe orizontală privește doar proiecția încăperii încălzite pe plan orizontal.
Înghețarea solului departe de clădire (adică atingerea temperaturilor negative) are loc la o adâncime de ~2,4 metri, care este mai mult decât valoarea normativă pentru regiunea selectată în mod convențional (1,4-1,6 m).

Acum să adăugăm 400 mm de zăpadă densă medie cu o lambda de 0,3.

Fig.3. Izolinii de temperatură. Schema cu strat de zapada 400mm.

Izolinele de temperaturi pozitive înlocuiesc temperaturile negative în exterior, numai temperaturile pozitive sub clădire.
Înghețul solului sub stratul de zăpadă ~1,2 metri (-0,4 m de zăpadă = 0,8 m de îngheț al solului). „Pătura” de zăpadă reduce semnificativ adâncimea înghețului (de aproape 3 ori).
Aparent, prezența stratului de zăpadă, înălțimea și gradul de compactare a acestuia nu este o valoare constantă, prin urmare, adâncimea medie de îngheț este în intervalul rezultatelor a 2 scheme, (2,4 + 0,8) * 0,5 = 1,6 metri, ceea ce corespunde la valoarea standard.

Acum să vedem ce se întâmplă dacă înghețurile severe lovesc (-28 o C) și stau suficient de mult pentru ca câmpul termic să se stabilizeze, în timp ce nu există un strat de zăpadă în jurul clădirii.

Fig.4. Schema la -28 O Fără acoperire de zăpadă.

Temperaturile negative se târăsc sub clădire, temperaturile pozitive apasă pe podeaua încăperii încălzite. În zona fundațiilor, solurile îngheață. La distanță de clădire, solul îngheață cu ~4,7 metri.

Cm. înregistrări anterioare blog.