Представьте себе дом, в котором всегда поддерживается комфортная температура, а систем обогрева и охлаждения не видно. Эта система работает эффективно, но не требует сложного обслуживания или специальных знаний от владельцев.
Свежий воздух, Вы можете слышать щебетание птиц и ветер, лениво играющий листьями на деревьях. Дом получает энергию с земли, подобно листьям, которые получают энергию от корней. Прекрасная картина, не так ли?
Системы геотермального нагревания и охлаждения делают эту картину реальностью. Геотермальная НВК система (нагревание, вентиляция и кондиционирование) использует температуру земли, чтобы обеспечить нагревание зимой и охлаждение летом.
Как работает геотермальное нагревание и охлаждение
Температура окружающей среды меняется вместе со сменой пор года, но подземная температура меняется не так существенно благодаря изолирующим свойствам земли. На глубине 1,5-2 метра температура остается относительно постоянной круглый год. Геотермальная система, как правило, состоит из внутреннего оборудования для обработки, подземной системы труб, называемой подземной петлей, и/или насоса для циркуляции воды. Система использует постоянную температуру земли, чтобы обеспечить «чистую и бесплатную» энергию.
(Не путайте понятие геотермальной НВК системы с «геотермальной энергией» - процессом, при котором электричество производится непосредственно из высокой температуры в земле. В последнем случае используется оборудование другого типа и другие процессы, целью которых обычно является нагревание воды до температуры кипения.)
Трубы, которые составляют подземную петлю, обычно делаются из полиэтилена и могут быть расположены под землей горизонтально или вертикально, в зависимости от особенностей местности. Если доступен водоносный слой, то инженеры могут спроектировать систему «разомкнутого контура», для этого необходимо пробурить скважину к грунтовым водам. Вода выкачивается, проходит через теплообменник, и затем закачивается в тот же водоносный слой посредством «повторного закачивания».
Зимой вода, проходя через подземную петлю, поглощает тепло земли. Внутреннее оборудование дополнительно повышает температуру и распределяет ее по всему зданию. Это похоже на кондиционер, работающий наоборот. Летом геотермальная НВК система забирает воду с высокой температурой из здания и несет ее через подземную петлю/насос к скважине повторного закачивания, откуда вода попадает в более прохладную землю/водоносный слой.
В отличие от обычных систем нагревания и охлаждения, геотермальные НВК системы не используют ископаемое топливо, чтобы выработать тепло. Они просто берут высокую температуру из земли. Как правило, электроэнергия используется только для работы вентилятора, компрессора и насоса.
В геотермальной системе охлаждения и отопления есть три главных компонента: тепловой насос, жидкая среда теплообмена (разомкнутая или замкнутая система) и система подачи воздуха (система труб).
Для геотермальных тепловых насосов, а также для всех остальных типов тепловых насосов, было измерено соотношение их полезного действия к затраченной для этого действия энергии (КПД). Большинство геотермальных систем тепловых насосов имеют КПД от 3.0 до 5.0. Это означает, что одну единицу энергии система преобразует в 3-5 единиц тепла.
Геотермальные системы не требуют сложного обслуживания. Правильно установленная, что очень важно, подземная петля может исправно служить в течение нескольких поколений. Вентилятор, компрессор и насос размещены в закрытом помещении и защищены от переменчивых погодных условий, таким образом, их срок эксплуатации может длиться много лет, часто десятилетий. Обычные периодические проверки, своевременная замена фильтра и ежегодная очистка катушки являются единственным необходимым обслуживанием.
Опыт использования геотермальных НВК систем
Геотермальные НВК системы используются уже больше 60 лет во всем мире. Они работают с природой, а не против нее, и они не выделяют парниковых газов (как отмечалось ранее, они используют меньше электричества, потому что используют постоянную температуру земли).
Геотермальные НВК системы все чаще становятся атрибутами экологичных домов, как часть набирающего популярность движения зеленого строительства. Зеленые проекты составили 20 процентов всех построенных домов в США за прошлый год. В одной из статей в Wall Street Journal говорится о том, что к 2016 году бюджет зеленого строительства вырастет от 36 миллиардов долларов в год до 114 миллиардов. Это составит 30-40 процентов всего рынка недвижимости.
Но большая часть информации о геотермальном нагревании и охлаждении основана на устаревших данных или необоснованных мифах.
Разрушение мифов о геотермальных НВК системах
1. Геотермальные НВК системы не являются возобновляемой технологией, потому что они используют электричество.
Факт: Геотермальные НВК системы используют только одну единицу электричества, чтобы произвести до пяти единиц охлаждения или нагревания.
2. Солнечная энергия и энергия ветра являются более благоприятными возобновляемыми технологиями по сравнению с геотермальными НВК системами.
Факт: Геотермальные НВК системы за один доллар перерабатывают в четыре раза больше киловатт/часов, чем энергия солнца или ветра вырабатывает за тот же доллар. Эти технологии могут, конечно, играть важную роль для экологии, но геотермальная НВК система зачастую является самым эффективным и экономным способом уменьшить воздействие на окружающую среду.
3. Для геотермальной НВК системы требуется много места, чтобы разместить полиэтиленовые трубы подземной петли.
Факт: В зависимости от особенностей местности, подземная петля может быть расположена вертикально, что означает необходимость в небольшой наземной поверхности. Если же есть доступный водоносный слой, то нужно всего несколько квадратных футов на поверхности. Заметьте, что вода возвращается в тот же водоносный слой, из которого она и была взята, после того, как прошла через теплообменник. Таким образом, вода не является стоковой и не загрязняет водоносный слой.
4. Геотермальные тепловые насосы НВК являются шумными.
Факт: Системы работают очень тихо, и снаружи нет никакого оборудования, чтобы не беспокоить соседей.
5. Геотермальные системы в конечном итоге «стираются».
Факт: Подземные петли могут служить в течение нескольких поколений. Оборудование теплообмена, как правило, служит десятилетиями, так как оно защищено в закрытом помещении. Когда наступает момент необходимой замены оборудования, стоимость такой замены намного меньше новой геотермальной системы, поскольку подземная петля и скважина являются ее самыми дорогими частями. Новые технические решения устраняют проблему задержки тепла в земле, таким образом, система может производить обмен температур в неограниченном количестве. В прошлом были случаи неправильно рассчитанных систем, которые действительно перегревали или переохлаждали землю до такой степени, что больше не было температурного различия, необходимого для работы системы.
6. Геотермальные НВК системы работают только для нагрева.
Факт: Они работают столь же эффективно и на охлаждение и могут быть спроектированы таким образом, чтобы не было необходимости в дополнительном резервном источнике тепла. Хотя некоторые клиенты решают, что экономически более выгодно иметь небольшую резервную систему для самых холодных времен. Это означает, что их подземная петля будет меньше и, соответственно, дешевле.
7. Геотермальные НВК системы не могут одновременно нагреть воду для бытовых целей, нагреть воду в бассейне и обогреть дом.
Факт: Системы могут быть спроектированы таким образом, чтобы выполнять много функций одновременно.
8. Геотермальные НВК системы загрязняют землю хладагентами.
Факт: Большинство систем использует в петлях только воду.
9. Геотермальные НВК системы используют много воды.
Факт: Геотермальные системы фактически не потребляют воду. Если для обмена температуры используется подземные воды, то вся вода возвращается в тот же водоносный слой. В прошлом действительно использовались некоторые системы, которые тратили впустую воду после того, как она проходила через теплообменник, но такие системы сегодня почти не используются. Если посмотреть на вопрос с коммерческой точки зрения, то геотермальные НВК системы фактически экономят миллионы литров воды, которые бы испарялись в традиционных системах.
10. Геотермальная НВК технология финансово не выполнима без государственных и региональных налоговых льгот.
Факт: Государственные и региональные льготы, как правило, составляют от 30 до 60 процентов совокупной стоимости геотермальной системы, что может зачастую снизить ее начальную цену практически до уровня цен на обычное оборудование. Стандартные воздушные системы НВК стоят приблизительно 3,000 долларов за тонну тепла или холода (дома обычно используют от одной до пяти тонн). Цена геотермальных НВК систем составляет приблизительно от 5,000 долларов за тонну до 8,000-9,000. Однако новые методы установки значительно уменьшают затраты, вплоть до цен на обычные системы.
Уменьшить стоимость также можно за счет скидок на оборудование для общественного или коммерческого использования, или даже при крупных заказах бытового характера (особенно от крупных брендов, таких как Bosch, Carrier и Trane). Разомкнутые контуры, при использовании насоса и скважины повторной закачки, являются более дешевыми в установке, чем замкнутые системы.
По материалам: energyblog.nationalgeographic.com
Температура внутри Земли. Определение температуры в оболочках Земли основывается на различных, часто косвенных данных. Наиболее достоверные температурные данные относятся к самой верхней части земной коры, вскрываемой шахтами и буровыми скважинами до максимальных глубин- 12 км (Кольская скважина).
Нарастание температуры в градусах Цельсия на единицу глубины называют геотермическим градиентом, а глубину в метрах, на протяжении которой температура увеличивается на 1 0 С - геотермической ступенью. Геотермический градиент и соответственно геотермическая ступень изменяются от места к месту в зависимости от геологических условий, эндогенной активности в различных районах, а также неоднородной теплопроводности горных пород. При этом, по данным Б. Гутенберга, пределы колебаний отличаются более чем в 25 раз. Примером тому являются два резко различных градиента: 1) 150 o на 1 км в штате Орегон (США), 2) 6 o на 1 км зарегистрирован в Южной Африке. Соответственно этим геотермическим градиентам изменяется и геотермическая ступень от 6,67 м в первом случае до 167 м - во втором. Наиболее часто встречаемые колебания градиента в пределах 20-50 o , а геотермической ступени -15-45 м. Средний геотермический градиент издавна принимался в 30 o С на 1 км.
По данным В. Н. Жаркова, геотермический градиент близ поверхности Земли оценивается в 20 o С на 1 км. Если исходить из этих двух значений геотермического градиента и его неизменности в глубь Земли, то на глубине 100 км должна была бы быть температура 3000 или 2000 o С. Однако это расходится с фактическими данными. Именно на этих глубинах периодически зарождаются магматические очаги, из которых изливается на поверхность лава, имеющая максимальную температуру 1200-1250 o . Учитывая этот своеобразный "термометр", ряд авторов (В. А. Любимов, В. А. Магницкий) считают, что на глубине 100 км температура не может превышать 1300-1500 o С.
При более высоких температурах породы мантии были бы полностью расплавлены, что противоречит свободному прохождению поперечных сейсмических волн. Таким образом, средний геотермический градиент прослеживается лишь до некоторой относительно небольшой глубины от поверхности (20-30 км), а дальше он должен уменьшаться. Но даже и в этом случае в одном и том же месте изменение температуры с глубиной неравномерно. Это можно видеть на примере изменения температуры с глубиной по Кольской скважине, расположенной в пределах устойчивого кристаллического щита платформы. При заложении этой скважины рассчитывали на геотермический градиент 10 o на 1 км и, следовательно, на проектной глубине (15 км) ожидали температуру порядка 150 o С. Однако такой градиент был только до глубины 3 км, а далее он стал увеличиваться в 1,5-2,0 раза. На глубине 7 км температура была 120 o С, на 10 км -180 o С, на 12 км -220 o С. Предполагается, что на проектной глубине температура будет близка к 280 o С. Вторым примером являются данные по скважине, заложенной в Северном Прикаспии, в районе более активного эндогенного режима. В ней на глубине 500 м температура оказалась равной 42,2 o С, на 1500 м-69,9 o С, на 2000 м-80,4 o С, на 3000 м - 108,3 o С.
Какова же температура в более глубоких зонах мантии и ядра Земли? Более или менее достоверные данные получены о температуре основания слоя В верхней мантии (см. рис. 1.6). По данным В. Н. Жаркова, "детальные исследования фазовой диаграммы Mg 2 SiO 4 - Fe 2 Si0 4 позволили определить реперную температуру на глубине, соответствующей первой зоне фазовых переходов (400 км)" (т.е. перехода оливина в шпинель). Температура здесь в результате указанных исследований около 1600 50 o С.
Вопрос о распределении температур в мантии ниже слоя В и ядре Земли еще не решен, и поэтому высказываются различные представления. Можно только предположить, что температура с глубиной увеличивается при значительном уменьшении геотермического градиента и увеличении геотермической ступени. Предполагают, что температура в ядре Земли находится в пределах 4000-5000 o С.
Средний химический состав Земли. Для суждения о химическом составе Земли привлекаются данные о метеоритах, представляющих собой наиболее вероятные образцы протопланетного материала, из которого сформировались планеты земной группы и астероиды. К настоящему времени хорошо изучено много выпавших на Землю в разные времена и в разных местах метеоритов. По составу выделяют три типа метеоритов: 1)железные, состоящие главным образом из никелистого железа (90-91% Fe), с небольшой примесью фосфора и кобальта; 2) железокаменные (сидеролиты), состоящие из железа и силикатных минералов; 3) каменные, илиаэролиты, состоящие главным образом из железисто-магнезиальных силикатов и включений никелистого железа.
Наибольшее распространение имеют каменные метеориты- около 92,7% всех находок, железокаменные 1,3% и железные 5,6%. Каменные метеориты подразделяют на две группы: а) хондриты с мелкими округлыми зернами - хондрами (90%); б) ахондриты, не содержащие хондр. Состав каменных метеоритов близок к ультраосновным магматическим породам. По данным М. Ботта, в них около 12% железоникелевой фазы.
На основании анализа состава различных метеоритов, а также полученных экспериментальных геохимических и геофизических данных, рядом исследователей дается современная оценка валового элементарного состава Земли, представленная в табл. 1.3.
Как видно из данных таблицы, повышенное распространение относится к четырем важнейшим элементам - О, Fe, Si, Mg, составляющим свыше 91%. В группу менее распространенных элементов входят Ni, S, Ca, A1. Остальные элементы периодической системы Менделеева в глобальных масштабах по общему распространению имеют второстепенное значение. Если сравнить приведенные данные с составом земной коры, то отчетливо видно существенное различие, заключающееся в резком уменьшении О, A1, Si и значительном увеличении Fe, Mg и появлении в заметных количествах S и Ni.
Фигуру Земли называют геоидом. О глубинном строении Земли судят по продольным и поперечным сейсмическим волнам, которые, распространяясь внутри Земли, испытывают преломление, отражение и затухание, что свидетельствует о расслоенности Земли. Выделяют три главные области:
земная кора;
мантия: верхняя до глубины 900 км, нижняя до глубины 2900 км;
ядро Земли внешнее до глубины 5120 км, внутреннее до глубины 6371 км.
Внутреннее тепло Земли связано с распадом радиоактивных элементов - урана, тория, калия, рубидия и др. Средняя, величина теплового потока составляет 1,4-1,5 мккал/см 2. с.
1. Каковы форма и размеры Земли?
2. Какие существуют методы изучения внутреннего строения Земли?
3. Каково внутреннее строение Земли?
4. Какие сейсмические разделы первого порядка четко выделяются при анализе строения Земли?
5. Каким границам соответствуют разделы Мохоровичича и Гутенберга?
6. Какая средняя плотность Земли и как она изменяется на границе мантии и ядра?
7. Как изменяется тепловой поток в различных зонах? Как понимается изменение геотермического градиента и геотермической ступени?
8. По каким данным определяется средний химический состав Земли?
Литература
-
Войткевич Г.В. Основы теории происхождения Земли. М., 1988.
-
Жарков В.Н. Внутреннее строение Земли и планет. М., 1978.
-
Магницкий В.А. Внутреннее строение и физика Земли. М., 1965.
-
Очерки сравнительной планетологии. М., 1981.
-
Рингвуд А.Е. Состав и происхождение Земли. М., 1981.
Поверхностный слой почвы Земли - это естественный тепловой аккумулятор. Главный источник тепловой энергии, поступающей в верхние слои Земли - солнечная радиация. На глубине около 3 м и более (ниже уровня промерзания) температура почвы в течение года практически не меняется и примерно равна среднегодовой температуре наружного воздуха. На глубине 1,5-3,2 м зимой температура составляет от +5 до + 7 ° С, а летом от +10 до + 12 ° С. Этим теплом можно зимой не допустить замерзания дома, а летом не дать ему перегреться выше 18-20 ° С
Самым простым способом использования тепла земли является использование почвенного теплообменника (ПТО). Под землей, ниже уровня промерзания грунта, укладывается система воздуховодов, которые выполняют функцию теплообменника между землей и воздухом, который проходит по этих воздуховодах. Зимой входящий холодный воздух, который поступает в и проходит по трубам - нагревается, а летом - охлаждается. При рациональном размещении воздуховодов можно отбирать из почвы значительное количество тепловой энергии с небольшими затратами электроэнергии.
Можно использовать теплообменник «труба в трубе». Внутренние воздуховоды из нержавеющей стали выступают здесь в роли рекуператоров.
Охлаждение в летний период
В теплое время года грунтовый теплообменник обеспечивает охлаждение приточного воздуха. Наружный воздух поступает через воздухозаборное устройство в грунтовый теплообменник, где охлаждается за счет грунта. Затем охлажденный воздух подается воздуховодами в приточно-вытяжную установку, в которой на летний период вместо рекуператора установлена летняя вставка. Благодаря такому решению, происходит снижение температуры в помещениях, улучшается микроклимат в доме, снижаются затраты электроэнергии на кондиционирование.Работа в межсезонье
Когда разница между температурой наружного и внутреннего воздуха небольшая, подачу свежего воздуха можно осуществлять через приточную решетку, размещенную на стене дома в надземной части. В тот период, когда разница существенная, подачу свежего воздуха можно осуществлять через ПТО, обеспечивая подогрев / охлаждение приточного воздуха.Экономия в зимний период
В холодное время года наружный воздух поступает через воздухозаборное устройство в ПТО, где прогревается и затем поступает в приточно-вытяжную установку для нагрева в рекуператоре. Предварительный нагрев воздуха в ПТО снижает вероятность обледенения рекуператора приточно-вытяжной установки, увеличивая эффективное время использования рекуперации и минимизирует затраты на дополнительный нагрев воздуха в водяном / электрическом нагревателе.Как рассчитываются затраты на подогрев и охлаждение воздуха
Можно предварительно подсчитать затраты на нагрев воздуха в зимний период для помещения, куда поступает воздух при нормативе 300 м3 / час. В зимний период среднесуточная температура в течение 80 дней составляет -5 ° С - ее нужно подогреть до + 20 ° С. Для нагрева такого количества воздуха нужно затрачивать 2,55 кВт в час (при отсутствии системы утилизации тепла). При использовании геотермальной системы происходит подогрев наружного воздуха до +5 и тогда на догрев входящего воздуха к комфортному уходит 1,02 кВт. Еще лучше ситуация при использовании рекуперации - надо затрачивать только 0,714 кВт. За период 80 дней будет потрачено соответственно 2448 кВт * ч тепловой энергии, а геотермальные системы снизят затраты на 1175 или 685 кВт * ч.
В межсезонье в течение 180 дней среднесуточная температура составляет + 5 ° С - ее нужно подогреть до + 20 ° С. Плановые расходы составляют 3305 кВт * ч, а геотермальные системы снизят затраты на 1322 или 1102 кВт * ч.
В летний период в течение 60 дней среднесуточная температура около + 20 ° С, но в течение 8 часов она находится в пределах + 26 ° С. Затраты для охлаждения составят 206 кВт * ч, а геотермальная система снизит затраты на 137 кВт * ч.
На протяжении года работу такой геотермальной системы оценивают с помощью коэффициента - SPF (фактор сезонной мощности), который определяется как отношение количества полученной тепловой энергии к количеству потребленной электрической с учетом сезонных изменений температуры воздуха/грунта.
Для получения от грунта 2634 кВт·ч тепловой мощности в год вентиляционной установкой тратится 635 кВт·ч электроэнергии.
SPF = 2634/635 = 4,14.
По материалам.
Описание:
В отличие от «прямого» использования высокопотенциального геотермального тепла (гидротермальных ресурсов) использование грунта поверхностных слоев Земли как источника низкопотенциальной тепловой энергии для геотермальных теплонасосных систем теплоснабжения (ГТСТ) возможно практически повсеместно. В настоящее время в мире это одно из наиболее динамично развивающихся направлений использования нетрадиционных возобновляемых источников энергии.
Геотермальные теплонасосные системы теплоснабжения и эффективность их применения в климатических условиях России
Г. П. Васильев , научный руководитель ОАО «ИНСОЛАР-ИНВЕСТ»
В отличие от «прямого» использования высокопотенциального геотермального тепла (гидротермальных ресурсов) использование грунта поверхностных слоев Земли как источника низкопотенциальной тепловой энергии для геотермальных теплонасосных систем теплоснабжения (ГТСТ) возможно практически повсеместно. В настоящее время в мире это одно из наиболее динамично развивающихся направлений использования нетрадиционных возобновляемых источников энергии.
Грунт поверхностных слоев Земли фактически является тепловым аккумулятором неограниченной мощности. Тепловой режим грунта формируется под действием двух основных факторов – падающей на поверхность солнечной радиации и потока радиогенного тепла из земных недр. Сезонные и суточные изменения интенсивности солнечной радиации и температуры наружного воздуха вызывают колебания температуры верхних слоев грунта. Глубина проникновения суточных колебаний температуры наружного воздуха и интенсивности падающей солнечной радиации в зависимости от конкретных почвенно-климатических условий колеблется в пределах от нескольких десятков сантиметров до полутора метров. Глубина проникновения сезонных колебаний температуры наружного воздуха и интенсивности падающей солнечной радиации не превышает, как правило, 15–20 м.
Тепловой режим слоев грунта, расположенных ниже этой глубины («нейтральной зоны»), формируется под воздействием тепловой энергии, поступающей из недр Земли и практически не зависит от сезонных, а тем более суточных изменений параметров наружного климата (рис. 1). С увеличением глубины температура грунта также увеличивается в соответствии с геотермическим градиентом (примерно 3 °С на каждые 100 м). Величина потока радиогенного тепла, поступающего из земных недр, для разных местностей различается. Как правило, эта величина составляет 0,05–0,12 Вт/м 2 .
Рисунок 1. |
При эксплуатации ГТСТ грунтовый массив, находящийся в пределах зоны теплового влияния регистра труб грунтового теплообменника системы сбора низкопотенциального тепла грунта (системы теплосбора), вследствие сезонного изменения параметров наружного климата, а также под воздействием эксплуатационных нагрузок на систему теплосбора, как правило, подвергается многократному замораживанию и оттаиванию. При этом, естественно, происходит изменение агрегатного состояния влаги, заключенной в порах грунта и находящейся в общем случае как в жидкой, так и в твердой и газообразной фазах одновременно. При этом в капиллярно-пористых системах, каковой является грунтовый массив системы теплосбора, наличие влаги в поровом пространстве оказывает заметное влияние на процесс распространения тепла. Корректный учет этого влияния на сегодняшний день сопряжен со значительными трудностями, которые, прежде всего, связаны с отсутствием четких представлений о характере распределения твердой, жидкой и газообразной фаз влаги в той или иной структуре системы. При наличии в толще грунтового массива температурного градиента молекулы водяного пара перемещаются к местам, имеющим пониженный температурный потенциал, но в то же время под действием гравитационных сил возникает противоположно направленный поток влаги в жидкой фазе. Кроме этого, на температурный режим верхних слоев грунта оказывает влияние влага атмосферных осадков, а также грунтовые воды.
К характерным особенностям теплового режима систем сбора тепла грунта как объекта проектирования также следует отнести и так называемую «информативную неопределенность» математических моделей, описывающих подобные процессы, или, иначе говоря, отсутствие достоверной информации о воздействиях на систему окружающей среды (атмосферы и массива грунта, находящихся вне зоны теплового влияния грунтового теплообменника системы теплосбора) и чрезвычайную сложность их аппроксимации. Действительно, если аппроксимация воздействий на систему наружного климата, хотя и сложна, но все же при определенных затратах «машинного времени» и использовании существующих моделей (например, «типового климатического года») может быть реализована, то проблема учета в модели влияния на систему атмосферных воздействий (роса, туман, дождь, снег и т. д.), а также аппроксимация теплового влияния на грунтовый массив системы тепло-сбора подстилающих и окружающих его слоев грунта на сегодняшний день практически не разрешима и могла бы составить предмет отдельных исследований. Так, например, малая изученность процессов формирования фильтрационных потоков грунтовых вод, их скоростного режима, а также невозможность получения достоверной информации о тепловлажностном режиме слоев грунта, находящихся ниже зоны теплового влияния грунтового теплообменника, значительно осложняет задачу построения корректной математической модели теплового режима системы сбора низкопотенциального тепла грунта.
Для преодоления описанных сложностей, возникающих при проектировании ГТСТ, могут быть рекомендованы созданные и апробированные на практике метод математического моделирования теплового режима систем сбора тепла грунта и методика учета при проектировании ГТСТ фазовых переходов влаги в поровом пространстве грунтового массива систем теплосбора.
Суть метода состоит в рассмотрении при построении математической модели разности двух задач: «базовой» задачи, описывающей тепловой режим грунта в естественном состоянии (без влияния грунтового теплообменника системы теплосбора), и решаемой задачи, описывающей тепловой режим грунтового массива со стоками (источниками) тепла. В итоге, метод позволяет получить решение относительно некоторой новой функции, представляющей собой функцию влияния стоков тепла на естественный тепловой режим грунта и равной разности температуры массива грунта в естественном состоянии и массива грунта со стоками (источниками тепла) – с грунтовым теплообенником системы тепло-сбора. Использование этого метода при построении математических моделей теплового режима систем сбора низкопотенциального тепла грунта позволило не только обойти трудности, связанные с аппроксимацией внешних воздействий на систему теплосбора, но и использовать в моделях экспериментально полученную метеостанциями информацию о естественном тепловом режиме грунта. Это позволяет частично учесть весь комплекс факторов (таких как наличие грунтовых вод, их скоростной и тепловой режимы, структура и расположение слоев грунта, «тепловой» фон Земли, атмосферные осадки, фазовые превращения влаги в поровом пространстве и многое другое), существеннейшим образом влияющих на формирование теплового режима системы теплосбора и совместный учет которых в строгой постановке задачи практически не возможен.
Методика учета при проектировании ГТСТ фазовых переходов влаги в поровом пространстве грунтового массива базируется на новом понятии «эквивалентной» теплопроводности грунта, которая определяется путем замены задачи о тепловом режиме замерзшего вокруг труб грунтового теплообменника цилиндра грунта «эквивалентной» квазистационарной задачей с близким температурным полем и одинаковыми граничными условиями, но с другой «эквивалентной» теплопроводностью.
Важнейшей задачей, решаемой при проектировании геотермальных систем теплоснабжения зданий, является детальная оценка энергетических возможностей климата района строительства и на этой основе составление заключения об эффективности и целесообразности применения того или иного схемного решения ГТСТ. Расчетные значения климатических параметров, приводимые в действующих нормативных документах не дают полной характеристики наружного климата, его изменчивости по месяцам, а также в отдельные периоды года – отопительный сезон, период перегрева и др. Поэтому при решении вопроса о температурном потенциале геотермального тепла, оценки возможности его сочетания с другими естественными источниками тепла низкого потенциала, оценки их (источников) температурного уровня в годовом цикле необходимо привлечение более полных климатических данных, приводимых, а например, в Справочнике по климату СССР (Л. : Гидрометиоиздат. Вып. 1–34).
Среди такой климатической информации в нашем случае следует выделить, прежде всего:
– данные о среднемесячной температуре почвы на разных глубинах;
– данные о поступлении солнечного излучения на различно ориентированные поверхности.
В табл. 1–5 приведены данные о среднемесячных температурах грунта на различных глубинах для некоторых городов России. В табл. 1 приведены среднемесячные температуры грунта по 23 городам РФ на глубине 1,6 м, которая представляется наиболее рациональной, с точки зрения температурного потенциала грунта и возможностей механизации производства работ по заложению горизонтальных грунтовых теплообменников.
| Таблица 1 Средние температуры грунта по месяцам на глубине 1,6 м для некоторых городов России |
||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
|
| Таблица 2 Температура грунта в г. Ставрополе (почва – чернозем) |
|||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
|
| Таблица 3
Температуры грунта в г. Якутске (почва илисто-песчаная с примесью перегноя, ниже – песок) |
|||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
|
| Таблица 4 Температуры грунта в г. Пскове (дно, почва суглинистая, подпочва – глина) |
|||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
|
| Таблица 5 Температура грунта в г. Владивостоке (почва бурая каменистая, насыпная) |
||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
|
Представленная в таблицах информация о естественном ходе температур грунта на глубине до 3,2 м (т. е. в «рабочем» слое грунта для ГТСТ с горизонтальным расположением грунтового теплообменника) наглядно иллюстрирует возможности использования грунта как источника тепла низкого потенциала. Очевидным является сравнительно небольшой интервал изменения на территории России температуры слоев, расположенных на одинаковой глубине. Так, например, минимальная температура грунта на глубине 3,2 м от поверхности в г. Ставрополе составляет 7,4 °С, а в г. Якутске – (–4,4 °С); соответственно, интервал изменения температуры грунта на данной глубине составляет 11,8 градуса. Этот факт позволяет рассчитывать на создание в достаточной степени унифицированного теплонасосного оборудования, пригодного к эксплуатации практически на всей территории России.
Как видно из представленных таблиц, характерной особенностью естественного температурного режима грунта является запаздывание минимальных температур грунта относительно времени поступления минимальных температур наружного воздуха. Минимальные температуры наружного воздуха повсеместно наблюдаются в январе, минимальные температуры в грунте на глубине 1,6 м в г. Ставрополе наблюдаются в марте, в г. Якутске – в марте, в г. Сочи – в марте, в г. Владивостоке – в апреле. Таким образом, очевидно, что к моменту наступления минимальных температур в грунте нагрузка на теплонасосную систему теплоснабжения (теплопотери здания) снижается. Этот момент открывает достаточно серьезные возможности для снижения установочной мощности ГТСТ (экономии капитальных затрат) и обязательно должен учитываться при проектировании.
Для оценки эффективности применения геотермальных теплонасос-ных систем теплоснабжения в климатических условиях России было выполнено районирование территории РФ по эффективности использования геотермального тепла низкого потенциала для целей теплоснабжения. Районирование выполнялось на основе результатов численных экспериментов по моделированию эксплуатационных режимов ГТСТ в климатических условиях различных регионов территории РФ. Численные эксперименты проводилось на примере гипотетического двухэтажного коттеджа с отапливаемой площадью 200 м 2 , оборудованного геотермальной теплонасосной системой тепло-снабжения. Наружные ограждающие конструкции рассматриваемого дома имеют следующие приведенные сопротивления теплопередаче:
– наружные стены – 3,2 м 2 ч °С/Вт;
– окна и двери – 0,6 м 2 ч °С/Вт;
– покрытия и перекрытия – 4,2 м 2 ч °С/Вт.
При проведении численных экспериментов рассматривались:
– система сбора тепла грунта с низкой плотностью потребления геотермальной энергии;
– горизонтальная система теплосбора из полиэтиленовых труб диаметром 0,05 м и длиной 400 м;
– система сбора тепла грунта с высокой плотностью потребления геотермальной энергии;
– вертикальная система тепло-сбора из одной термоскважины диаметром 0,16 м и длиной 40 м.
Проведенные исследования показали, что потребление тепловой энергии из грунтового массива к концу отопительного сезона вызывает вблизи регистра труб системы теплосбора понижение температуры грунта, которое в почвенно-климатических условиях большей части территории РФ не успевает компенсироваться в летний период года, и к началу следующего отопительного сезона грунт выходит с пониженным температурным потенциалом. Потребление тепловой энергии в течение следующего отопительного сезона вызывает дальнейшее снижение температуры грунта, и к началу третьего отопительного сезона его температурный потенциал еще больше отличается от естественного. И так далее... Однако, огибающие теплового влияния многолетней эксплуатации системы теплосбора на естественный температурный режим грунта имеют ярко выраженный экспоненциальный характер, и к пятому году эксплуатации грунт выходит на новый режим, близкий к периодическому, т. е., начиная с пятого года эксплуатации, многолетнее потребление тепловой энергии из грунтового массива системы теплосбора сопровождается периодическими изменениями его температуры. Таким образом, при проведении районирования территории РФ необходимо было учитывать падение температур грунтового массива, вызванное многолетней экс-плуатацией системы теплосбора, и использовать в качестве расчетных параметров температур грунтового массива температуры грунта, ожидаемые на 5-й год эксплуатации ГТСТ. Учитывая это обстоятельство, при проведении районирования территории РФ по эффективности применения ГТСТ в качестве критерия эффективности геотермальной теплонасосной системы теплоснабжения был выбран средний за 5-й год эксплуатации коэффициент трансформации теплоты К р тр, представляющий собой отношение вырабатываемой ГТСТ полезной тепловой энергии к энергии, затрачиваемой на ее привод, и определяемый для идеального термодинамического цикла Карно следующим образом:
К тр = Т о / (Т о – Т и), (1)
где Т о – температурный потенциал тепла, отводимого в систему отопления или теплоснабжения, К;
Т и – температурный потенциал источника тепла, К.
Коэффициент трансформации теплонасосной системы теплоснабжения К тр представляет собой отношение полезного тепла, отводимого в систему теплоснабжения потребителя, к энергии, затрачиваемой на работу ГТСТ, и численно равен количеству полезного тепла, получаемого при температурах Т о и Т и на единицу энергии, затраченной на привод ГТСТ. Реальный коэффициент трансформации отличается от идеального, описанного формулой (1), на величину коэффициента h, учитывающего степень термодинамического совершенства ГТСТ и необратимые потери энергии при реализации цикла.
Численные эксперименты проводились с помощью созданной в ОАО «ИНСОЛАР-ИНВЕСТ» программы, обеспечивающей определение оптимальных параметров системы теплосбора в зависимости от климатических условий района строительства, теплозащитных качеств здания, эксплуатационных характеристик теплонасосного оборудования, циркуляционных насосов, нагревательных приборов системы отопления, а также режимов их эксплуатации. Программа базируется на описанном ранее методе построения математических моделей теплового режима систем сбора низкопотенциального тепла грунта, который позволил обойти трудности, связанные с информативной неопределенностью моделей и аппроксимацией внешних воздействий, за счет использования в программе экспериментально полученной информации о естественном тепловом режиме грунта, которая позволяет частично учесть весь комплекс факторов (таких как наличие грунтовых вод, их скоростной и тепловой режимы, структура и расположение слоев грунта, «тепловой» фон Земли, атмосферные осадки, фазовые превращения влаги в поровом пространстве и многое другое), существеннейшим образом влияющих на формирование теплового режима системы теплосбора, и совместный учет которых в строгой постановке задачи на сегодняшний день практически не возможен. В качестве решения «базовой» задачи использовались данные Справочника по климату СССР (Л. : Гидрометиоиздат. Вып. 1–34).
Программа фактически позволяет решить задачу многопараметральной оптимизации конфигурации ГТСТ для конкретного здания и района строительства. При этом целевой функцией оптимизационной задачи является минимум годовых энергетических затрат на экс-плуатацию ГТСТ, а критериями оптимизации являются радиус труб грунтового теплообменника, его (теплообменника) длина и глубина заложения.
Результаты численных экспериментов и районирование территории России по эффективности использования геотермального тепла низкого потенциала для целей теплоснабжения зданий представлены в графическом виде на рис. 2–9.
На рис. 2 представлены значения и изолинии коэффициента трансформации геотермальных теплонасосных систем теплоснабжения с горизонтальными системами теплосбора, а на рис. 3 – для ГТСТ с вертикальными системами теплосбора. Как видно из рисунков, максимальные значения К р тр 4,24 для горизонтальных систем теплосбора и 4,14 – для вертикальных можно ожидать на юге территории России, а минимальные значения, соответственно, 2,87 и 2,73 на севере, в Уэлене. Для средней полосы России значения К р тр для горизонтальных систем теплосбора находятся в пределах 3,4–3,6, а для вертикальных систем в пределах 3,2–3,4. Обращают на себя достаточно высокие значения К р тр (3,2–3,5) для районов Дальнего Востока, районов с традиционно сложными условиями топливоснабжения. По-видимому, Дальний Восток является регионом приоритетного внедрения ГТСТ.
На рис. 4 представлены значения и изолинии удельных годовых за-трат энергии на привод «горизонтальных» ГТСТ+ПД (пиковый доводчик), включающих энергозатраты на отопление, вентиляцию и горячее водоснабжение, приведенные к 1 м 2 отапливаемой площади, а на рис. 5 – для ГТСТ с вертикальными системами теплосбора. Как видно из рисунков, годовые удельные энергозатраты на привод горизонтальных ГТСТ, приведенные к 1 м 2 отапливаемой площади здания изменяются от 28,8 кВт ч/(год м 2) на юге России до 241 кВт ч/(год м 2) в г. Якутске, а для вертикальных ГТСТ соответственно, от 28,7 кВт ч/ / (год м 2) на юге и до 248 кВт ч/ / (год м 2) в г. Якутске. Если мы умножим представленное на рисунках для конкретной местности значение годовых удельных энергозатрат на привод ГТСТ на значение для этой местности К р тр, уменьшенное на 1, то получим количество энергии, сэкономленное ГТСТ с 1 м 2 отапливаемой площади за год. Например, для Москвы для вертикальной ГТСТ это значение составит 189,2 кВт ч с 1 м 2 в год. Для сравнения можно привести значения удельных энергозатрат, установленные московскими нормами по энергосбережению МГСН 2.01–99 для малоэтажных зданий на уровне 130, а для многоэтажных зданий 95 кВт ч/(год м 2). При этом в нормируемые МГСН 2.01–99 энергозатраты входят только затраты энергии на отопление и вентиляцию, в нашем же случае в энергозатраты включены и затраты энергии на горячее водоснабжение. Дело в том, что существующий в действующих нормах подход к оценке энергозатрат на эксплуатацию здания выделяет в отдельные статьи затраты энергии на отопление и вентиляцию здания и затраты энергии на его горячее водоснабжение. При этом энергозатраты на горячее водоснабжение не нормируются. Такой подход не кажется правильным, поскольку затраты энергии на горячее водо-снабжение зачастую соизмеримы с затратами энергии на отопление и вентиляцию.
На рис. 6 представлены значения и изолинии рационального соотношения тепловой мощности пикового доводчика (ПД) и установленной электрической мощности горизонтальных ГТСТ в долях единицы, а на рис. 7 – для ГТСТ с вертикальными системами тепло-сбора. Критерием рационального соотношения тепловой мощности пикового доводчика и установленной электрической мощности ГТСТ (исключая ПД) являлся минимум годовых затрат электроэнергии на привод ГТСТ+ПД. Как видно из рисунков, рациональное соотношение мощностей тепловой ПД и электрической ГТСТ (без ПД) изменяется от 0 на юге России, до 2,88 – для горизонтальных ГТСТ и 2,92 для вертикальных систем в г. Якутске. В центральной полосе территории РФ рациональное соотношение тепловой мощности доводчика и установленной электрической мощности ГТСТ+ПД находится как для горизонтальных, так и вертикальных ГТСТ в пределах 1,1–1,3. На этом моменте нужно остановиться более подробно. Дело в том, что при замещении, например, электроотопления в Центральной полосе России мы фактически имеем возможность на 35–40 % сократить мощность установленного в отапливаемом здании электрооборудования и, соответственно, сократить электрическую мощность, запрашиваемую у РАО «ЕЭС», которая сегодня «стоит» около 50 тыс. руб. за 1 кВт установленной в доме электрической мощности. Так, например, для коттеджа с расчетными теплопотерями в наиболее холодную пятидневку равными 15 кВт, мы сэкономим 6 кВт установленной электрической мощности и, соответственно, около 300 тыс. руб. или ≈ 11,5 тыс. долл. США. Эта цифра практически равна стоимости ГТСТ такой тепловой мощности.
Таким образом, если корректно учитывать все издержки, связанные с подключением здания к централизованному электроснабжению, оказывается, при существующих сегодня тарифах на электроэнергию и подключение к сетям централизованного электроснабжения в Центральной полосе территории РФ даже по единовременным затратам ГТСТ оказывается выгоднее электроотопления, не говоря уже о 60 %-ной экономии энергии.
На рис. 8 представлены значения и изолинии удельный вес тепловой энергии, вырабатываемой в течение года пиковым доводчиком (ПД) в суммарных годовых энергозатратах системы горизонтальная ГТСТ+ПД в процентах, а на рис. 9 – для ГТСТ с вертикальными системами тепло-сбора. Как видно из рисунков, удельный вес тепловой энергии, вырабатываемой в течение года пиковым доводчиком (ПД), в суммарных годовых энергозатратах системы горизонтальная ГТСТ+ПД изменяется от 0 % на юге России до 38–40 % в г. Якутске и г. Туре, а для вертикальных ГТСТ+ПД – соответственно, от 0 % на юге и до 48,5 % в г. Якутске. В Центральной полосе России эти значения составляют и для вертикальных, и для горизонтальных ГТСТ около 5–7 %. Это небольшие энергозатраты, и в связи с этим нужно внимательно относиться к выбору пикового доводчика. Наиболее рациональным с точки зрения как удельных капвложений в 1 кВт мощности, так и автоматизации являются пиковые электродоводчики. Заслуживает внимание использование котлов, работающих на пеллетах.
В завершении хотелось бы остановиться на очень важном вопросе: проблеме выбора рационального уровня теплозащиты зданий. Эта проблема представляет сегодня очень серьезную задачу, для решения которой необходим серьезный численный анализ, учитывающий и специфику нашего климата, и особенности применяемого инженерного оборудования, инфраструктуры централизованных сетей, а также экологическую ситуацию в городах, ухудшающуюся буквально на глазах, и многое другое. Очевидно, что сегодня уже некорректно формулировать какие-либо требования к оболочке здания без учета его (здания) взаимосвязей с климатом и системой энерго-снабжения, инженерными коммуникациями и пр. В итоге, в самом ближайшем будущем решение проблемы выбора рационального уровня теплозащиты будет возможно только на основе рассмотрения комплекса здание + система энергоснабжения + климат + окружающая среда как единой экоэнергетической системы, а при таком подходе конкурентные преимущества ГТСТ на отечественном рынке трудно переоценить.
Литература
1. Sanner B. Ground Heat Sources for Heat Pumps (classification, characteristics, advantages). Course on geothermal heat pumps, 2002.
2. Васильев Г. П. Экономически целесообразный уровень теплозащиты зданий // Энергосбережение. – 2002. – № 5.
3. Васильев Г. П. Теплохладоснабжение зданий и сооружений с использованием низкопотенциальной тепловой энергии поверхностных слоев Земли: Монография. Издательский дом «Граница». – М. : Красная звезда, 2006.
Вместо предислдовия.
Умные и доброжелательные люди указали мне не то, что данный случай должен оцениваться только в нестационарной постановке, ввиду огромной тепловой инерции земли и учитывать годовой режим изменения температур. Выполненный пример решен для стационарного теплового поля, поэтому имеет заведомо некорректные результаты, так что его следует рассматривать только как некую идеализированную модель с огромным количеством упрощений показывающий распределение температур в стационарном режиме. Так что как говорится, любые совпадения - чистая случайность...
***************************************************
Как обычно, не стану приводить много конкретики по поводу принятых теплопроводностей и толщин материалов, ограничусь описанием лишь некоторых, предполагаем, что прочие элементы максимально близки к реальным конструкциям - теплофизические характеристики назначены верно, а толщины материалов адекватны реальным случаям строительной практики. Цель статьи получить рамочное представление о распределении температур на границе Здание-Грунт при различных условиях.
Немного о том, о чем нужно сказать. Рассчитываемые схемы в данном примере содержат 3 температурные границе, 1-я это внутренний воздух помещений отапливаемого здания +20 о С, 2-я это наружный воздух -10 о С (-28 о С), и 3-я это температура в толще грунта на определенной глубине, на которой она колеблется около некоторого постоянного значения. В данном примере принято значение этой глубины 8м и температура +10 о С. Вот тут со мной кто-то может поспорить в отношении принятых параметров 3-ей границы, но спор о точных значениях не является задачей данной статьи, равно как и полученные результаты не претендуют на особую точность и возможность привязки к какому-то конкретному проектному случаю. Повторюсь, задача - получить принципиальное, рамочное представление о распределении температур, и проверить некоторые устоявшиеся представления по данному вопросу.
Теперь непосредственно к делу. Итак тезисы, которые предстоит проверить.
1. Грунт под отапливаемым зданием имеет положительную температуру.
2. Нормативная глубина промерзания грунтов (тут скорее вопрос чем утверждение). Учитывается ли снежный покров грунта при приведении данных по промерзанию в геологических отчетах, ведь как правило территория вокруг дома очищается от снега, чистятся дорожки, тротуары, отмостка, парковка и пр.?
Промерзание грунта - это процесс во времени, поэтому для расчета примем наружную температуру равную средней температуре наиболее холодного месяца -10 о С. Грунт примем с приведенной лямбда = 1 на всю глубину.
Рис.1. Расчетная схема.
Рис.2. Изолинии температур. Схема без снежного покрова.
В целом под зданием температура грунта положительная. Максимумы ближе к центру здания, к наружным стенам минимумы. Изолиния нулевых температур по горизонтали лишь касается проекции отапливаемого помещения на горизонтальную плоскость.
Промерзание грунта вдали от здания (т.е. достижение отрицательных температур) происходит на глубине ~2.4 метра, что больше нормативного значения для выбранного условно региона (1.4-1.6м).
Теперь добавим 400мм снега среднеплотного с лямбда 0.3.
Рис.3. Изолинии температур. Схема со снежным покровом 400мм.
Изолинии положительных температур вытесняют отрицательные температуры наружу, под зданием только положительные температуры.
Промерзание грунта под снежным покровом ~1.2 метра (-0.4м снега = 0.8м промерзания грунта). Снежное "одеяло" значительно снижает глубину промерзания (почти в 3 раза).
Видимо наличие снежного покрова, его высота и степень уплотнения является величиной не постоянной, поэтому средняя глубина промерзания находится в диапазоне полученных результатов 2-х схем, (2.4+0.8)*0.5 = 1.6 метра, что соответствует нормативному значению.
Теперь посмотрим, что будет, если ударят сильные морозы (-28 о С) и простоят достаточно долго, чтобы тепловое поле стабилизировалось, при этом снеговой покров вокруг здания отсутствует.
Рис.4. Схема при -28 о С без снежного покрова.
Отрицательные температуры залезают под здание, положительные прижимаются к полу отапливаемого помещения. В районе фундаментов грунты промерзают. На удалении от здания грунты промерзают на ~4.7 метра.
См. предыдущие записи блога.
