Для моделирования температурных полей и для других расчётов необходимо узнать температуру грунта на заданной глубине.
Температуру грунта на глубине измеряют с помощью вытяжных почвенно- глубинных термометров. Это плановые исследования, которые регулярно проводят метеорологические станции. Данные исследований служат основой для климатических атласов и нормативной документации.
Для получения температуры грунта на заданной глубине можно попробовать, например, два простых способа. Оба способа заключаются в использовании справочной литературы:
- Для приближённого определения температуры можно использовать документ ЦПИ-22. «Переходы железных дорог трубопроводами». Здесь в рамках методики теплотехнического расчёта трубопроводов приводится таблица 1, где для определённых климатических районов приводятся величины температур грунта в зависимости от глубины измерения. Эту таблицу я привожу здесь ниже.
Таблица 1
- Таблица температур грунта на различных глубинах из источника «в помощь работнику газовой промышленности» еще времён СССР
Нормативные глубины промерзания для некоторых городов:
Глубина промерзания грунта зависит от типа грунта:
Я думаю, что самый простой вариант, это воспользоваться вышеуказанными справочными данными, а затем интерполировать.
Самый надёжный вариант для точных расчётов с использованием температур грунта — воспользоваться данными метеорологических служб. На базе метеорологических служб работают некоторые онлайн справочники. Например, http://www.atlas-yakutia.ru/.
Здесь достаточно выбрать населённый пункт, тип грунта и можно получить температурную карту грунта или её данные в табличной форме. В принципе, удобно, но похоже этот ресурс платный.
Если Вы знаете ещё способы определения температуры грунта на заданной глубине, то, пожалуйста, пишите комментарии.
Возможно Вам будет интересен следующий материал:
В вертикальных коллекторах отбирается энергия из земли с помощью геотермальных земляных зондов. Это закрытые системы со скважинами диаметром 145-150мм и глубиной от 50 до 150м, по которым прокладываются трубы. На конце трубопровода инсталлируется возвратное U колено. Обычно установка осуществляется с помощью одноконтурного зонда с трубами 2x d40 («шведская система»), или двухконтурного зонда с трубами 4x d32. Двухконтурные зонды должны достигать на 10-15% больший отбор тепла. При скважинах глубже чем 150 м нужно использовать трубы 4xd40 (для понижения потери давления).
В настоящее время большая часть скважин для отбора тепла земли имеет глубину 150 м. На большей глубине можно получить больше тепла, но при этом затраты на такие скважины будут очень высоки. Поэтому важно заранее просчитать затраты на установку вертикального коллектора в сравнении с предполагаемой экономией в будущем. В случае инсталляции системы активно-пассивного охлаждения более глубокие скважины не делают из-за высшей температуры в почве и более низком потенциале в момент отдачи тепла из раствора окружающей среде. В системе циркулирует незамерзающая смесь (спирт, глицерин, гликоль), разбавленная водой до нужной консистенции незамерзания. В тепловом насосе отдает тепло, отобранное у земли, хладагенту. Температура земли на глубине 20 м примерно 10°C, и растет каждые 30м на 1°C. На нее не оказывают влияние климатические условия, и поэтому можно рассчитывать на качественный отбор энергии и зимой и летом. Нужно добавить, что температура в земле немного отличается в начале сезона (сентябрь-октябрь) от температуре в конце сезона (март-апрель). Поэтому необходимо учитывать при расчете глубины вертикальных коллекторов длину отопительного сезона в месте инсталляции.
При отборе тепла с помощью геотермальных вертикальных зондов очень важным являются правильные расчеты и конструкция коллекторов. Для проведения грамотных расчетов необходимо знать, возможно ли бурение в месте инсталляции до желаемой глубины.
Для теплового насоса мощностью 10kW необходимо примерно 120-180 m скважины. Скважины должна быть размещены минимум 8м друг от друга. Количество и глубина скважин зависит от геологических условий, наличие подземных вод, способности почвы удерживать тепло и технологии бурения. При бурении нескольких скважин общая желаемая длина скважины разделится на количество скважин.
Преимуществом вертикального коллектора перед горизонтальным является меньший участок земли для использования, более стабильный источник тепла, и независимость источника тепла на погодных условиях. Минусом вертикальных коллекторов являются высокие затраты на земляные работы и постепенное охлаждение земли возле коллектора (необходимы грамотные расчеты необходимой мощности при проектировании).
Расчет необходимой глубины скважин
Информация,необходимая для предварительного расчета глубины и количества скважин:
Мощность теплового насоса
Выбранный тип отопления - «теплые полы», радиаторы, комбинированное
Предполагаемое количество часов эксплуатации теплового насоса за год, покрытие потребности в энергии
Место инсталляции
Использование геотермальной скважины - отопление, обогрев ГВС, сезонный подогрев бассейна, круглогодичный подогрев бассейна
Использование функции пассивного (активного) охлаждения в объекте
Общее годовое потребление тепла для отопления (MВ/час)
Температура грунта непрерывно изменяется по глубине и во времени. Она зависит от целого ряда факторов, из которых многие трудно поддаются учету. К последним, например, относится: характер растительности, экспозиция склона по сторонам света, затененность, снеговой покров, характер самих грунтов, наличие надмерзлотных вод и др. Однако температура грунта, как по величине, так и по характеру распределения сохраняется из года в год достаточно устойчиво, и решающее влияние здесь остается за температурой воздуха.
Температура грунта на разных глубинах и в различные периоды года может быть получена непосредственными измерениями в термоскважинах, которые закладываются в процессе изысканий. Но такой способ требует длительных наблюдений и значительных расходов, что не всегда оправдано. Полученные по одной-двум скважинам данные распространяются на большие площади и протяжения, значительно искажая действительность так, что расчетные данные о температуре грунта во многих случаях оказываются более надежными.
Температура грунта вечномерзлой толщи на любой глубине (до 10 м от поверхности) и на любой период года может быть определена по формуле:
tr = mt°, (3.7)
где z – глубина, отсчитываемая от ВГМ, м;
tr – температура грунта на глубине z, в град.
τr– время равное году (8760 ч);
τ - время, отсчитываемое вперед (через 1 января) от момента начала осеннего замерзания грунта до момента, для которого ведется отсчет температуры, в ч;
еxp х – экспонента (показательная функция exp берется по таблицам);
m – коэффициент, зависящий от периода года (для периода октябрь – май m = 1,5-0,05z, а для периода июнь- сентябрь m = 1)
Самая низкая температура на заданной глубине будет тогда, когда косинус в формуле (3.7) станет равным -1, т. е. минимальная температура грунта за год на данной глубине составит
tr мин = (1,5-0,05z) t°, (3.8)
Максимальная температура грунта на глубине z ,будет тогда, когда косинус примет значение, равное единице т.е.
tr макс = t°, (3.9)
Во всех трех формулах значение объемной теплоемкости С м следует рассчитывать для температуры грунта t° по формуле (3.10).
С 1 м = 1/W, (3.10)
Температуру грунта в слое сезонного оттаивания можно также определить расчетом, приняв во внимание, что изменение температуры в этом слое достаточно точно апроксимируется линейной зависимостью при следующих температурных градиентах (табл.3.1).
Рассчитав по одной из формул (3.8) – (3.9) температуру грунта на уровне ВГМ, т.е. положив в формулах Z=0, затем с помощью таблицы 3.1 определяем температуру грунта на заданной глубине в слое сезонного оттаивания. В самых верхних слоях грунта, примерно до 1 м от поверхности, характер температурных колебаний очень сложен.
Таблица 3.1
Температурный градиент в слое сезонного оттаивания на глубине ниже 1 м от поверхности земли
Примечание. Знак градиента показан в направлении к дневной поверхности.
Чтобы получить расчетную температуру грунта в метровом слое от поверхности, можно поступить следующим образом. Вычислить температуру на глубине 1 м и температуру дневной поверхности грунта, а затем путем интерполяции по этим двум значениям определить температуру на заданной глубине.
Температуру на поверхности грунта t п в холодный период года можно принимать равной температуре воздуха. В летний период:
t п = 2+1,15 t в, (3.11)
где t п - температура на поверхности в град.
t в – температура воздуха в град.
Температура грунта при несливающейся криолитозоне рассчитывается иначе, чем при сливающейся. Практически можно считать, что температура на уровне ВГМ будет равна 0°С в течении всего года. Расчетную температуру грунта вечномерзлой толщи на заданной глубине можно определить интерполяцией, считая, что она меняется на глубине по линейному закону от t° на глубине 10 м до 0°С на глубине залегания ВГМ. Температуру в талом слое h т можно принимать от 0,5 до 1,5°С.
В слое сезонного промерзания h п температуру грунта можно вычислить так же, как для слоя сезонного оттаивания сливающейся криолитозоны, т.е. в слое h п – 1 м по температурному градиенту (табл. 3.1), считая температуру на глубине h п равной 0°С в холодный период года и 1°С в летнее время. В верхнем метровом слое грунта температура определяется по интерполяции между температурой на глубине 1 м и температурой на поверхности.
Один из самых лучших, рациональных приемов в возведении капитальных теплиц - подземная теплица-термос.
Использование этого факта постоянства температуры земли на глубине, в устройстве теплицы дает колоссальную экономию расходов на обогрев в холодное время года, облегчает уход, делает микроклимат более стабильным
.
Такая теплица работает в самые трескучие морозы, позволяет производить овощи, выращивать цветы круглый год.
Правильно оборудованная заглубленная теплица дает возможность выращивать, в том числе, теплолюбивые южные культуры. Ограничений практически нет. В теплице могут прекрасно чувствовать себя цитрусовые и даже ананасы.
Но чтобы на практике все исправно функционировало, обязательно нужно соблюсти проверенные временем технологии, по которым строились подземные теплицы. Ведь эта идея не нова, еще при царе в России заглубленные теплицы давали урожаи ананасов, которые предприимчивые купцы вывозили на продажу в Европу.
Почему-то строительство подобных теплиц не нашло в нашей стране большого распространения, по большому счету, она просто забыта, хотя конструкция идеально подходит как раз для нашего климата.
Вероятно, роль здесь сыграла необходимость рытья глубокого котлована, заливка фундамента. Строительство заглубляемой теплицы достаточно затратное, это далеко не парник, накрытый полиэтиленом, но и отдача от теплицы гораздо больше.
От заглубления в землю не теряется общая внутренняя освещенность, это может показаться странным, но в некоторых случаях светонасыщенность даже выше, чем у классических теплиц.
Нельзя не упомянуть о прочности и надежности конструкции, она несравнимо крепче обычной, легче переносит ураганные порывы ветра, хорошо противостоит граду, не станут помехой и завалы снега.
1. Котлован
Создание теплицы начинается с рытья котлована. Чтобы использовать тепло земли для обогрева внутреннего объема, теплица должна быть достаточно углублена. Чем глубже, тем земля становится теплее.
Температура почти не изменяется в течение года на расстоянии 2-2,5 метра от поверхности. На глубине 1 м температура грунта колеблется больше, но и зимой ее значение остается положительным, обычно в средней полосе температура составляет 4-10 С, в зависимости от времени года.
Заглубленная теплица возводится за один сезон. То есть зимой она уже вполне сможет функционировать и приносить доход. Строительство не из дешевых, но, применив смекалку, компромиссные материалы, возможно сэкономить буквально на целый порядок, сделав своеобразный эконом-вариант теплицы, начиная с котлована.
Например, обойтись без привлечения строительной техники. Хотя самую трудоемкую часть работы - рытье котлована -, конечно, лучше отдать экскаватору. Вручную вынуть такой объем земли тяжело и долго.
Глубина ямы котлована должна быть не меньше двух метров. На такой глубине земля начнет делиться своим теплом и работать как своеобразный термос. Если глубина будет меньше, то принципиально идея будет работать, но заметно менее эффективно. Поэтому рекомендуется не жалеть сил и средств на углубление будущей теплицы.
В длину подземные теплицы могут быть любыми, но ширину лучше выдержать в пределах 5 метров, если ширина больше, то ухудшаются качественные характеристики по обогреву и светоотражению.
По сторонам горизонта подземные оранжереи ориентировать нужно, как обычные теплицы и парники, с востока на запад, то есть так, чтобы одна из боковых сторон была обращена на юг. В таком положении растения получат максимальное количество солнечной энергии.
2. Стены и крыша
По периметру котлована заливают фундамент или выкладывают блоки. Фундамент служит основанием для стен и каркаса сооружения. Стены лучше делать из материалов с хорошими теплоизоляционными характеристиками, прекрасный вариант - термоблоки.
Каркас крыши чаще делают деревянным, из пропитанных антисептическими средствами брусков. Конструкция крыши обычно прямая двускатная. По центру конструкции закрепляют коньковый брус, для этого на полу устанавливают центральные опоры по всей длине теплицы.
Коньковый брус и стены соединяются рядом стропил. Каркас можно сделать и без высоких опор. Их заменяют на небольшие, которые ставят на поперечные балки, соединяющие противоположные стороны теплицы, - такая конструкция делает внутреннее пространство свободнее.
В качестве покрытия крыши лучше взять сотовый поликарбонат - популярный современный материал. Расстояние между стропилами при строительстве подгоняют под ширину поликарбонатных листов. Работать с материалом удобно. Покрытие получается с небольшим количеством стыков, так как листы выпускаются длиной 12 м.
К каркасу они крепятся саморезами, их лучше выбирать со шляпкой в виде шайбы. Во избежание растрескивания листа, под каждый саморез нужно просверлить дрелью отверстие соответствующего диаметра. С помощью шуруповерта, или обычной дрели с крестовой битой, работа по остеклению движется очень быстро. Для того чтобы не оставалось щелей, хорошо заранее по верху проложить стропила уплотнителем из мягкой резины или другого подходящего материала и только потом прикручивать листы. Пик крыши вдоль конька нужно проложить мягким утеплителем и прижать каким-то уголком: пластиковым, из жести, из другого подходящего материала.
Для хорошей теплоизоляции крышу иногда делают с двойным слоем поликарбоната. Хотя прозрачность уменьшается примерно на 10%, но это покрывается отличными теплоизоляционными характеристиками. Нужно учесть, что снег на такой крыше не тает. Поэтому скат должен находиться под достаточным углом, не менее 30 градусов, чтобы снег на крыше не накапливался. Дополнительно для встряхивания устанавливают электрический вибратор, он убережет крышу в случае, если снег все-таки будет накапливаться.
Двойное остекление делают двумя способами:
Между двумя листами вставляют специальный профиль, листы крепятся к каркасу сверху;
Сначала крепят нижний слой остекления к каркасу изнутри, к нижней стороне стропил. Вторым слоем крышу накрывают, как обычно, сверху.
После завершения работы желательно проклеить все стыки скотчем. Готовая крыша выглядит весьма эффектно: без лишних стыков, гладкая, без выдающихся частей.
3. Утепление и обогрев
Утепление стен проводят следующим образом. Предварительно нужно тщательно промазать раствором все стыки и швы стены, здесь можно применить и монтажную пену. Внутреннюю сторону стен накрывают пленкой термоизоляции.
В холодных частях страны хорошо использовать фольгированную толстую пленку, покрывая стену двойным слоем.
Температура в глубине почвы теплицы выше нуля, но холоднее температуры воздуха, необходимой для роста растений. Верхний слой прогревается солнечными лучами и воздухом теплицы, но все-таки почва отбирает тепло, поэтому часто в подземных теплицах используют технологию «теплых полов»: нагревательный элемент - электрический кабель - защищают металлической решеткой или заливают бетоном.
Во втором случае почву для грядок насыпают поверх бетона или выращивают зелень в горшках и вазонах.
Применение теплого пола может быть достаточным для обогрева всей теплицы, если хватает мощности. Но эффективнее и комфортнее для растений использование комбинированного обогрева: теплый пол + подогрев воздуха. Для хорошего роста им нужна температура воздуха 25-35 градусов при температуре земли примерно 25 С.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Конечно, постройка заглубленной теплицы обойдется дороже, а усилий потребуется больше, чем при строительстве аналогичной теплицы обычной конструкции. Но вложенные в теплицу-термос средства со временем оправдываются.
Во-первых, это экономия энергии на обогреве. Каким бы образом ни отапливалась в зимнее время обычная наземная теплица, это будет всегда дороже и труднее аналогичного способа обогрева в подземной теплице. Во-вторых, экономия на освещении. Фольгированная теплоизоляция стен, отражая свет, увеличивает освещенность в два раза.Микроклимат в углубленной теплице зимой для растений будет благоприятнее, что непременно отразится на урожайности. Легко приживутся саженцы, превосходно будут чувствовать себя нежные растения. Такая теплица гарантирует стабильный, высокий урожай любых растений круглый год.
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.