La capa superficial del suelo terrestre es un acumulador de calor natural. La principal fuente de energía térmica que ingresa a las capas superiores de la Tierra es la radiación solar. A una profundidad de aproximadamente 3 mo más (por debajo del nivel de congelación), la temperatura del suelo permanece prácticamente sin cambios durante todo el año y es aproximadamente igual a la temperatura media anual del aire exterior. A una profundidad de 1,5 a 3,2 m, en invierno la temperatura oscila entre +5 y + 7 ° C, y en verano, entre +10 y + 12 ° C. Este calor puede evitar que la casa se congele en invierno y en verano evitarlo. por sobrecalentamiento por encima de 18 -20°C

lo mas de una manera sencilla Aprovechar el calor de la tierra es el uso de un intercambiador de calor de suelo (SHE). Bajo tierra, por debajo del nivel de congelación del suelo, se coloca un sistema de conductos de aire, que actúan como intercambiador de calor entre el suelo y el aire que pasa por estos conductos. En invierno, el aire frío entrante que entra y pasa por las tuberías se calienta y en verano se enfría. Con la colocación racional de conductos de aire, es posible extraer una cantidad importante de energía térmica del suelo con un pequeño consumo energético.

Puede utilizar un intercambiador de calor de tubería dentro de tubería. Los conductos de aire internos de acero inoxidable actúan aquí como recuperadores.

Refrigeración en verano

Durante la estación cálida, un intercambiador de calor terrestre enfría el aire suministrado. El aire exterior ingresa a través de un dispositivo de entrada de aire a un intercambiador de calor terrestre, donde el suelo lo enfría. Luego, el aire enfriado se suministra a través de conductos de aire a la unidad de suministro y escape, en la que se instala un inserto de verano en lugar de un recuperador para el período de verano. Gracias a esta solución, la temperatura en las habitaciones disminuye, mejora el microclima de la casa y se reducen los costes energéticos de aire acondicionado.

trabajo fuera de temporada

Cuando la diferencia entre la temperatura del aire exterior e interior es pequeña, se puede suministrar aire fresco a través de una rejilla de suministro colocada en la pared de la casa en la parte aérea. Durante el período en que la diferencia es significativa, se puede suministrar aire fresco a través del PHE, proporcionando calentamiento/enfriamiento del aire de suministro.

Ahorros en invierno

En la estación fría, el aire exterior ingresa a través del dispositivo de entrada de aire al PHE, donde se calienta y luego ingresa a la unidad de suministro y escape para calentarlo en el recuperador. El precalentamiento del aire en el PHE reduce la probabilidad de formación de hielo en el recuperador de la unidad de tratamiento de aire, aumenta el tiempo efectivo de uso de la recuperación y minimiza el costo de calentamiento adicional del aire en el calentador de agua/eléctrico.

¿Cómo se calculan los costos de calentar y enfriar el aire?

Es posible calcular preliminarmente el costo de calentar el aire en invierno para una habitación donde el aire se suministra a un nivel de 300 m3 / hora. En invierno, la temperatura diaria promedio durante 80 días es de -5 ° C; es necesario calentarla a + 20 ° C. Para calentar esta cantidad de aire, es necesario gastar 2,55 kW por hora (en ausencia de un recuperador de calor). sistema). Cuando se utiliza un sistema geotérmico, el aire exterior se calienta a +5 y luego se necesitan 1,02 kW para calentar el aire entrante a un nivel confortable. La situación es aún mejor cuando se utiliza la recuperación: solo es necesario gastar 0,714 kW. En un período de 80 días se consumirán 2.448 kWh de energía térmica y los sistemas geotérmicos reducirán los costes en 1.175 o 685 kWh.

Fuera de temporada, durante 180 días, la temperatura diaria promedio es de + 5 ° C; es necesario calentarla a + 20 ° C. Los costos planificados son 3305 kW * h, y los sistemas geotérmicos reducirán los costos en 1322 o 1102 kW. *h.

En verano, durante 60 días, la temperatura media diaria es de unos + 20 ° C, pero en 8 horas está dentro de los + 26 ° C. El coste de la refrigeración será de 206 kWh y el sistema geotérmico reducirá los costes en 137 kWh. .

A lo largo del año, el funcionamiento de dicho sistema geotérmico se evalúa mediante el coeficiente SPF (factor de potencia estacional), que se define como la relación entre la cantidad de energía térmica recibida y la cantidad de energía eléctrica consumida, teniendo en cuenta los cambios estacionales. en la temperatura del aire/suelo.

Para obtener 2634 kWh de energía térmica del suelo al año, la unidad de ventilación consume 635 kWh de electricidad.

FPS = 2634/635 = 4,14.

Según materiales.

"Aprovechamiento de la energía térmica de la tierra de baja calidad en sistemas de bomba de calor"
Vasiliev G.P., director científico de OJSC INSOLAR-INVEST, doctor en ciencias técnicas, presidente del consejo de administración de OJSC INSOLAR-INVEST

N. V. Shilkin, ingeniero, NIISF (Moscú) Uso racional del combustible hoy representa uno de los problemas mundiales, cuya solución exitosa, aparentemente, será de importancia decisiva no sólo para el desarrollo futuro de la comunidad mundial, sino también para la preservación de su hábitat. Una de las formas prometedoras de resolver este problema es aplicación de nuevas tecnologías de ahorro de energía utilizando fuentes de energía renovables no tradicionales (ERNE) El agotamiento de las reservas tradicionales de combustibles fósiles y las consecuencias medioambientales de su combustión han provocado un aumento significativo del interés por estas tecnologías en casi todos los países desarrollados del mundo en las últimas décadas.

Las ventajas del uso de tecnologías de suministro de calor, en comparación con sus contrapartes tradicionales, están asociadas no solo con reducciones significativas en los costos de energía en los sistemas de soporte vital de edificios y estructuras, sino también con su respeto al medio ambiente, así como con nuevas oportunidades en el campo. aumentar el grado de autonomía de los sistemas de soporte vital. Al parecer, en un futuro próximo estas cualidades tendrán una importancia decisiva para configurar la situación competitiva en el mercado de equipos generadores de calor.

Análisis de posibles áreas de aplicación en la economía rusa de tecnologías de ahorro de energía utilizando fuentes de energía no tradicionales, muestra que en Rusia la mayoría zona prometedora su implementación son sistemas de soporte vital para edificios. Al mismo tiempo, el uso generalizado parece ser una dirección muy eficaz para introducir las tecnologías consideradas en la práctica de la construcción nacional. sistemas de calefacción con bomba de calor (HST), utilizando el suelo de las capas superficiales de la Tierra como fuente de calor de bajo potencial accesible universalmente.

Al usar el calor de la tierra Se pueden distinguir dos tipos de energía térmica: alto potencial y bajo potencial. La fuente de energía térmica de alto potencial son los recursos hidrotermales: aguas termales calentadas como resultado de procesos geológicos a una temperatura alta, lo que permite su uso para suministrar calor a los edificios. Sin embargo, el uso del calor de alto potencial procedente de la Tierra se limita a zonas con determinados parámetros geológicos. En Rusia, esto es, por ejemplo, Kamchatka, la región de las aguas minerales del Cáucaso; En Europa, existen fuentes de calor de alto potencial en Hungría, Islandia y Francia.

A diferencia del uso "directo" de calor de alta calidad (recursos hidrotermales), uso de calor de baja calidad de la Tierra El uso de bombas de calor es posible en casi todas partes. Actualmente, esta es una de las áreas de uso que se está desarrollando con mayor dinamismo. fuentes de energía renovables no tradicionales.

Calor de bajo grado de la Tierra. se puede utilizar en varios tipos de edificios y estructuras de muchas maneras: para calefacción, suministro de agua caliente, aire acondicionado (refrigeración), vías de calefacción en horario de invierno año, para evitar la formación de hielo, calentar campos en estadios abiertos, etc. En la literatura técnica inglesa, estos sistemas se denominan "GHP" - "bombas de calor geotérmicas", bombas de calor geotérmicas.

Características climáticas de los países de Centro y Norte de Europa, que, junto con Estados Unidos y Canadá, son las principales zonas de aprovechamiento del calor de baja calidad procedente de la Tierra, determinan principalmente la necesidad de calefacción; La refrigeración por aire es relativamente rara, incluso en verano. Por lo tanto, a diferencia de EE.UU., bombas de calor en los países europeos funcionan principalmente en modo calefacción. en los estados unidos bombas de calor Se utilizan más a menudo en sistemas de calefacción de aire combinados con ventilación, que permiten tanto calentar como enfriar el aire exterior. EN paises europeos bombas de calor Generalmente se utiliza en sistemas de calentamiento de agua. Desde eficiencia de la bomba de calor aumenta a medida que disminuye la diferencia de temperatura entre el evaporador y el condensador; para calentar edificios se utilizan a menudo sistemas de calefacción por suelo radiante, en los que circula un refrigerante a una temperatura relativamente baja (35-40 °C).

Mayoría bombas de calor En Europa, diseñados para utilizar calor de baja calidad procedente de la Tierra, están equipados con compresores accionados eléctricamente.

En los últimos diez años, el número de sistemas que utilizan calor de baja calidad procedente de la Tierra para calentar y enfriar edificios mediante bombas de calor, ha aumentado significativamente. El mayor número de estos sistemas se utiliza en EE.UU. Un gran número de estos sistemas funcionan en Canadá y en los países del centro y norte de Europa: Austria, Alemania, Suecia y Suiza. Suiza es líder en términos de uso de energía térmica de baja calidad de la Tierra per cápita. En Rusia, en los últimos diez años, solo se han construido unos pocos objetos utilizando tecnología y con la participación de OJSC INSOLAR-INVEST, que se especializa en esta área, los más interesantes de los cuales se presentan en.

En Moscú, en el microdistrito Nikulino-2, se construyó por primera vez. sistema de suministro de agua caliente con bomba de calor edificio residencial de varias plantas. Este proyecto fue implementado en 1998-2002 por el Ministerio de Defensa de la Federación de Rusia junto con el Gobierno de Moscú, el Ministerio de Industria y Ciencia de Rusia, la Asociación de NP "ABOK" y en el marco "Programa de ahorro de energía a largo plazo en Moscú".

El calor del suelo en las capas superficiales de la Tierra, así como el calor del aire de ventilación extraído, se utiliza como fuente de energía térmica de bajo potencial para los evaporadores de las bombas de calor. La instalación para la preparación del suministro de agua caliente se encuentra en la planta sótano del edificio. Incluye los siguientes elementos principales:

• unidades de bomba de calor por compresión de vapor (HPU);
• tanques de almacenamiento de agua caliente;
• sistemas para recolectar energía térmica de baja calidad del suelo y calor de baja calidad del aire de ventilación extraído;
• bombas de circulación, equipos de control y medición

El principal elemento de intercambio de calor del sistema de recolección de calor del suelo de baja calidad son los intercambiadores de calor del suelo de tipo coaxial verticales ubicados en el exterior a lo largo del perímetro del edificio. Estos intercambiadores de calor constan de 8 pozos, cada uno con una profundidad de 32 a 35 m, ubicados cerca de la casa. Dado que el modo de funcionamiento de las bombas de calor que utilizan calor de la tierra y el calor del aire extraído es constante y el consumo de agua caliente es variable, el sistema de suministro de agua caliente está equipado con tanques acumulativos.

En la tabla se muestran los datos que evalúan el nivel global de uso de la energía térmica de bajo potencial de la Tierra mediante bombas de calor.

Tabla 1. Nivel mundial de uso de energía térmica de bajo potencial de la Tierra a través de bombas de calor.

El suelo como fuente de energía térmica de baja calidad.

El agua subterránea con una temperatura relativamente baja o el suelo de las capas superficiales (hasta 400 m de profundidad) de la Tierra se pueden utilizar como fuente de energía térmica de bajo potencial.. El contenido de calor de la masa del suelo es generalmente mayor. El régimen térmico del suelo en las capas superficiales de la Tierra se forma bajo la influencia de dos factores principales: la radiación solar que incide en la superficie y el flujo de calor radiogénico desde las entrañas de la Tierra.. Los cambios estacionales y diarios en la intensidad de la radiación solar y la temperatura del aire exterior provocan fluctuaciones en la temperatura de las capas superiores del suelo. La profundidad de penetración de las fluctuaciones diarias de la temperatura del aire exterior y la intensidad de la radiación solar incidente, dependiendo del suelo específico. condiciones climáticas varía desde varias decenas de centímetros hasta un metro y medio. La profundidad de penetración de las fluctuaciones estacionales de la temperatura del aire exterior y la intensidad de la radiación solar incidente no supera, por regla general, los 15 a 20 m.

El régimen de temperatura de las capas del suelo ubicadas por debajo de esta profundidad (“zona neutral”) se forma bajo la influencia de la energía térmica proveniente de las entrañas de la Tierra y es prácticamente independiente de los cambios estacionales, y más aún diarios, en los parámetros del suelo. clima externo (Fig. 1).

Arroz. 1. Gráfico de cambios de temperatura del suelo según la profundidad.

A medida que aumenta la profundidad, la temperatura del suelo aumenta de acuerdo con el gradiente geotérmico (aproximadamente 3 grados C por cada 100 m). La magnitud del flujo de calor radiogénico procedente del interior de la Tierra varía según las distintas zonas. Para Europa Central este valor es de 0,05 a 0,12 W/m2.

Durante el período operativo, la masa de suelo ubicada dentro de la zona de influencia térmica del registro de tuberías del intercambiador de calor de suelo del sistema de captación de calor de suelo de bajo potencial (sistema de captación de calor), debido a cambios estacionales en los parámetros del clima externo. , así como bajo la influencia de cargas operativas en el sistema de recolección de calor, generalmente está sujeto a repetidas heladas y descongelaciones. En este caso, de forma natural, se produce un cambio en el estado agregado de la humedad contenida en los poros del suelo y, en el caso general, tanto en la fase líquida, como en la sólida y gaseosa simultáneamente. En otras palabras, la masa de suelo del sistema de captación de calor, independientemente del estado en que se encuentre (congelada o descongelada), es un sistema heterogéneo polidisperso complejo de tres fases, cuyo esqueleto está formado por una gran cantidad de partículas sólidas de varias formas y tamaños y pueden ser rígidos o móviles, dependiendo de si las partículas están estrechamente unidas o si están separadas entre sí por una sustancia en la fase móvil. Los espacios entre partículas sólidas pueden llenarse con humedad mineralizada, gas, vapor y hielo, o ambos. Modelar los procesos de transferencia de calor y masa que forman el régimen térmico de un sistema multicomponente de este tipo es una tarea extremadamente compleja, ya que requiere tener en cuenta y describir matemáticamente varios mecanismos de su implementación: conductividad térmica en una partícula individual, transferencia de calor desde una partícula a otra al entrar en contacto, la conductividad térmica molecular en el medio que llena los espacios entre las partículas, la convección del vapor y la humedad contenida en el espacio poroso, y muchos otros.

Se debe prestar especial atención a la influencia de la humedad de la masa de suelo y la migración de humedad en su espacio poroso sobre los procesos térmicos que determinan las características del suelo como fuente de energía térmica de bajo potencial.

En sistemas de poros capilares, como la masa de suelo de un sistema de recolección de calor, la presencia de humedad en el espacio poroso tiene un efecto notable en el proceso de propagación del calor. Tener en cuenta correctamente esta influencia hoy en día está asociado con importantes dificultades, que se deben principalmente a la falta de ideas claras sobre la naturaleza de la distribución de las fases sólida, líquida y gaseosa de la humedad en una estructura particular del sistema. Aún no se han aclarado la naturaleza de las fuerzas que unen la humedad con las partículas esqueléticas, la dependencia de las formas de unir la humedad con el material en las distintas etapas de humectación y el mecanismo del movimiento de la humedad en el espacio poroso.

Si hay un gradiente de temperatura en el espesor de la masa del suelo, las moléculas de vapor se mueven a lugares con un potencial de temperatura bajo, pero al mismo tiempo, bajo la influencia de las fuerzas gravitacionales, se produce un flujo de humedad en dirección opuesta en la fase líquida. Además, la humedad afecta el régimen de temperatura de las capas superiores del suelo. precipitación atmosférica, así como las aguas subterráneas.

Los principales factores bajo cuya influencia se forman. régimen de temperatura Los sistemas de macizos de suelo para recolectar calor del suelo de bajo potencial se muestran en la Fig. 2.

Arroz. 2. Factores bajo cuya influencia se forma el régimen de temperatura del suelo.

Tipos de sistemas para aprovechar la energía térmica de bajo potencial de la Tierra.

Los intercambiadores de calor de tierra se conectan equipo de bomba de calor con un macizo de suelo. Además de "extraer" el calor de la Tierra, los intercambiadores de calor terrestres también se pueden utilizar para acumular calor (o frío) en una masa de suelo.

En general, se pueden distinguir dos tipos de sistemas de aprovechamiento de la energía térmica de bajo potencial de la Tierra::

• sistemas abiertos: el agua subterránea suministrada directamente a las bombas de calor se utiliza como fuente de energía térmica de baja calidad;
• sistemas cerrados: los intercambiadores de calor están ubicados en la masa del suelo; cuando a través de ellos circula un refrigerante con una temperatura más baja en relación con el suelo, la energía térmica se “selecciona” del suelo y se transfiere al evaporador. bomba de calor(o, cuando se utiliza un refrigerante con una temperatura más alta en relación con el suelo, su enfriamiento).

La mayor parte de los sistemas abiertos son los pozos, que permiten extraer agua subterránea de los acuíferos y devolverla a los mismos acuíferos. Por lo general, para este propósito se instalan pozos emparejados. Un diagrama de dicho sistema se muestra en la Fig. 3.

Arroz. 3. Esquema de un sistema abierto para aprovechar la energía térmica de bajo potencial del agua subterránea.

La ventaja de los sistemas abiertos es la capacidad de obtener grandes cantidades de energía térmica a costes relativamente bajos. Sin embargo, los pozos requieren mantenimiento. Además, el uso de tales sistemas no es posible en todos los ámbitos. Los principales requisitos para el suelo y las aguas subterráneas son los siguientes:

• suficiente permeabilidad del suelo, que permita reponer el suministro de agua;
• bien composición química agua subterránea (por ejemplo, bajo contenido de hierro), evitando problemas asociados con la incrustación y la corrosión de las tuberías.

Los sistemas abiertos se utilizan con mayor frecuencia para suministrar calefacción o refrigeración a edificios grandes. El sistema de bomba de calor geotérmica más grande del mundo Utiliza aguas subterráneas como fuente de energía térmica de baja calidad. Este sistema está ubicado en los EE. UU. en Louisville, Kentucky. El sistema se utiliza para el suministro de calor y frío de un complejo de hotel y oficinas; su potencia es de aproximadamente 10 MW.

A veces, los sistemas que utilizan el calor de la Tierra también incluyen sistemas que utilizan calor de baja calidad procedente de masas de agua abiertas, naturales y artificiales. Este enfoque se ha adoptado, en particular, en los EE.UU. Los sistemas que utilizan calor de baja calidad procedente de embalses se clasifican como abiertos, al igual que los sistemas que utilizan calor de baja calidad procedente de aguas subterráneas.

Los sistemas cerrados, a su vez, se dividen en horizontales y verticales.

Intercambiador de calor de suelo horizontal(en la literatura inglesa también se utilizan los términos "colector de calor del suelo" y "bucle horizontal"), generalmente se instala al lado de la casa a poca profundidad (pero por debajo del nivel de congelación del suelo en invierno). El uso de intercambiadores de calor de suelo horizontales está limitado por el tamaño del sitio disponible.

En los países de Europa occidental y central, los intercambiadores de calor de suelo horizontales suelen ser tuberías individuales, colocadas relativamente apretadas y conectadas entre sí en serie o en paralelo (Fig. 4a, 4b). Para ahorrar espacio, se han desarrollado tipos mejorados de intercambiadores de calor, por ejemplo, intercambiadores de calor en forma de espiral ubicados horizontal o verticalmente (Fig. 4e, 4f). Esta forma de intercambiadores de calor es común en EE. UU.

Arroz. 4. Tipos de intercambiadores de calor de suelo horizontales.
a – intercambiador de calor formado por tubos conectados en serie;
b – intercambiador de calor formado por tubos conectados en paralelo;
c – colector horizontal tendido en una zanja;
d – intercambiador de calor en forma de bucle;
d – intercambiador de calor en forma de espiral ubicado horizontalmente (el llamado colector “furtivo”;
e – intercambiador de calor en forma de espiral ubicado verticalmente

Si un sistema con intercambiadores de calor horizontales se utiliza únicamente para producir calor, su funcionamiento normal sólo es posible si hay suficiente aporte de calor desde la superficie terrestre debido a la radiación solar. Por este motivo, la superficie situada encima de los intercambiadores de calor debe estar expuesta a la luz solar.

Intercambiadores de calor de suelo verticales(en la literatura en inglés se acepta la designación "BHE" - "intercambiador de calor de pozo") permiten el uso de energía térmica de bajo potencial de la masa de suelo que se encuentra debajo de la "zona neutral" (10 a 20 m desde el nivel del suelo). Los sistemas con intercambiadores de calor verticales de tierra no requieren grandes áreas y no dependen de la intensidad de la radiación solar que incide en la superficie. Los intercambiadores de calor verticales de suelo funcionan eficazmente en casi todos los tipos de medios geológicos, a excepción de suelos con baja conductividad térmica, como arena seca o grava seca. Los sistemas con intercambiadores de calor verticales en el suelo se han generalizado mucho.

El diagrama de suministro de calefacción y agua caliente para un edificio residencial de un solo apartamento utilizando una instalación de bomba de calor con un intercambiador de calor de suelo vertical se muestra en la Fig. 5.

Arroz. 5. Esquema de calefacción y suministro de agua caliente de un edificio residencial de un solo apartamento mediante una instalación de bomba de calor con un intercambiador de calor de suelo vertical.

El refrigerante circula a través de tuberías (generalmente de polietileno o polipropileno) colocadas en pozos verticales con una profundidad de 50 a 200 m. Generalmente se utilizan dos tipos de intercambiadores de calor de suelo verticales (Fig. 6):

• Intercambiador de calor en forma de U, formado por dos tubos paralelos conectados en la parte inferior. En un pozo se encuentran uno o dos (con menos frecuencia tres) pares de tales tuberías. La ventaja de este esquema es el costo de fabricación relativamente bajo. Los intercambiadores de calor de doble U son el tipo de intercambiador de calor vertical de suelo más utilizado en Europa.
• Intercambiador de calor coaxial (concéntrico). El intercambiador de calor coaxial más simple consta de dos tubos de diferentes diámetros. Un tubo de menor diámetro se encuentra dentro de otro tubo. Los intercambiadores de calor coaxiales pueden tener configuraciones más complejas.

Arroz. 6. Sección transversal de varios tipos de intercambiadores de calor verticales de suelo.

Para aumentar la eficiencia de los intercambiadores de calor, el espacio entre las paredes del pozo y las tuberías se llena con materiales especiales conductores de calor.

Los sistemas con intercambiadores de calor de suelo verticales se pueden utilizar para suministrar calefacción y refrigeración a edificios de diversos tamaños. Para un edificio pequeño, un intercambiador de calor es suficiente; Para edificios grandes, puede ser necesario instalar un grupo completo de pozos con intercambiadores de calor verticales. El mayor número de pozos del mundo se utiliza en el sistema de suministro de calefacción y refrigeración del Richard Stockton College de EE.UU. en el estado de Nueva Jersey. Los intercambiadores de calor verticales de tierra de esta universidad están ubicados en 400 pozos con una profundidad de 130 m. En Europa, el mayor número de pozos (154 pozos con una profundidad de 70 m) se utilizan en el sistema de suministro de calefacción y refrigeración de la central. Oficina del Control del Tráfico Aéreo de Alemania (“Deutsche Flug-sicherung”).

Un caso especial de sistemas cerrados verticales es su uso como intercambiadores de calor terrestres. estructuras de construccion, por ejemplo, pilotes de cimentación con tuberías empotradas. La sección transversal de una pila con tres circuitos de un intercambiador de calor terrestre se muestra en la Fig. 7.

Arroz. 7. Diagrama de intercambiadores de calor del suelo incrustados en los pilotes de cimentación de un edificio y la sección transversal de dicho pilote.

La masa del suelo (en el caso de intercambiadores de calor de suelo verticales) y las estructuras de los edificios con intercambiadores de calor de suelo se pueden utilizar no sólo como fuente, sino también como acumulador natural de energía térmica o "fría", por ejemplo, el calor de la energía solar. radiación.

Hay sistemas que no se pueden clasificar claramente como abiertos o cerrados. Por ejemplo, el mismo pozo profundo (profundidad de 100 a 450 m) lleno de agua puede ser tanto de producción como de inyección. El diámetro del pozo suele ser de 15 cm. parte inferior Se coloca una bomba en el pozo, a través de la cual se suministra agua del pozo a los evaporadores de la bomba de calor. El agua de retorno regresa a la parte superior de la columna de agua en el mismo pozo. El pozo se recarga constantemente con agua subterránea y sistema abierto Funciona como uno cerrado. Los sistemas de este tipo en la literatura inglesa se denominan “sistema de pozo de columna vertical” (Fig. 8).

Arroz. 8. Esquema de un pozo tipo “pozo de columna vertical”

Normalmente, los pozos de este tipo también se utilizan para suministrar agua potable a los edificios.. Sin embargo, un sistema de este tipo sólo puede funcionar eficazmente en suelos que proporcionen un suministro constante de agua al pozo, lo que evita que se congele. Si el acuífero es demasiado profundo, se necesitará una bomba potente para el funcionamiento normal del sistema, lo que requiere un mayor consumo de energía. La gran profundidad del pozo provoca el coste bastante elevado de estos sistemas, por lo que no se utilizan para el suministro de calefacción y refrigeración a edificios pequeños. Actualmente existen varios sistemas de este tipo funcionando en el mundo, en EE. UU., Alemania y Europa.

Una de las direcciones prometedoras es el uso del agua de minas y túneles como fuente de energía térmica de bajo potencial. La temperatura de esta agua es constante durante todo el año. Se puede acceder fácilmente al agua de minas y túneles.

“Sostenibilidad” de los sistemas de aprovechamiento del calor de baja calidad procedente de la Tierra

Cuando se opera un intercambiador de calor terrestre, puede surgir una situación en la que durante la temporada de calefacción la temperatura del suelo cerca del intercambiador de calor terrestre disminuye y en el verano el suelo no tiene tiempo de calentarse a la temperatura inicial: su potencial de temperatura disminuye. . El consumo de energía durante la próxima temporada de calefacción hace que la temperatura del suelo baje aún más y su potencial de temperatura se reduzca aún más. Esto obliga a la hora de diseñar sistemas. uso del calor de baja calidad de la Tierra Consideremos el problema de la “sostenibilidad” de tales sistemas. Los recursos energéticos se utilizan a menudo de forma muy intensiva para reducir el período de recuperación de la inversión de los equipos, lo que puede conducir a su rápido agotamiento. Por tanto, es necesario mantener un nivel de producción de energía que permita la explotación de la fuente de recursos energéticos. mucho tiempo. Esta capacidad de los sistemas para mantener el nivel requerido de producción de energía térmica durante un largo período de tiempo se denomina "sostenibilidad". Para sistemas que utilizan bajo potencial el calor de la tierra se da la siguiente definición de sostenibilidad: “Para cada sistema que utiliza el calor de baja calidad de la Tierra y para cada modo de funcionamiento de este sistema, existe un cierto nivel máximo de producción de energía; La producción de energía por debajo de este nivel se puede mantener durante mucho tiempo (entre 100 y 300 años)”.

Realizado en OJSC "INSOLAR-INVEST" Los estudios han demostrado que el consumo de energía térmica de la masa del suelo al final de la temporada de calefacción provoca una disminución de la temperatura del suelo cerca del registro de las tuberías del sistema de recolección de calor, lo que en el suelo y las condiciones climáticas de la mayor parte del territorio. Rusia no tiene tiempo para compensar en el período estival del año y, al comienzo de la próxima temporada de calefacción, el suelo sale con un potencial de temperatura reducido. El consumo de energía térmica durante la próxima temporada de calefacción provoca una disminución adicional de la temperatura del suelo y, al comienzo de la tercera temporada de calefacción, su potencial de temperatura difiere aún más del natural. Etcétera. Sin embargo, las envolventes de la influencia térmica del funcionamiento a largo plazo del sistema de captación de calor sobre el régimen de temperatura natural del suelo tienen un carácter exponencial pronunciado, y al quinto año de funcionamiento el suelo alcanza un nuevo régimen, cercano al periódico, es decir, a partir del quinto año de funcionamiento, el consumo a largo plazo de energía térmica de los sistemas de captación masiva de calor del suelo va acompañado de cambios periódicos en su temperatura. Así, al diseñar sistemas de calefacción con bomba de calor Parece necesario tener en cuenta la caída de temperaturas de la masa de suelo provocada por muchos años de funcionamiento del sistema de captación de calor, y utilizar las temperaturas de la masa de suelo esperadas para el quinto año de funcionamiento del TST como parámetros de diseño.

En sistemas combinados, utilizado tanto para el suministro de calor como de frío, el balance de calor se establece "automáticamente": en invierno (se requiere suministro de calor), la masa del suelo se enfría, en horario de verano(requiere refrigeración) – calentamiento de la masa de suelo. En los sistemas que utilizan el calor de baja calidad del agua subterránea, hay una reposición constante de las reservas de agua debido al agua que se filtra desde la superficie y al agua que proviene de las capas más profundas del suelo. Por lo tanto, el contenido de calor del agua subterránea aumenta tanto "desde arriba" (debido al calor aire atmosférico), y “desde abajo” (debido al calor de la Tierra); La cantidad de calor aportado “desde arriba” y “desde abajo” depende del espesor y la profundidad del acuífero. Debido a estos aportes de calor, la temperatura del agua subterránea permanece constante durante toda la temporada y cambia poco durante la operación.

En sistemas con intercambiadores de calor de suelo verticales la situación es diferente. Cuando se elimina el calor, la temperatura del suelo alrededor del intercambiador de calor terrestre disminuye. La disminución de la temperatura está influenciada tanto por las características de diseño del intercambiador de calor como por su modo de funcionamiento. Por ejemplo, en sistemas con altos valores de disipación de energía térmica (varias decenas de vatios por metro de longitud del intercambiador de calor) o en sistemas con un intercambiador de calor de tierra ubicado en suelos con baja conductividad térmica (por ejemplo, en arena seca o seca grava), la disminución de temperatura será especialmente notable y puede provocar la congelación de la masa de suelo alrededor del intercambiador de calor del suelo.

Los expertos alemanes midieron la temperatura de la masa de suelo en la que se instaló un intercambiador de calor vertical de 50 m de profundidad, ubicado cerca de Frankfurt am Main. Para ello, se perforaron 9 pozos de la misma profundidad alrededor del pozo principal a una distancia de 2,5, 5 y 10 m. En los diez pozos se instalaron sensores cada 2 m para medir la temperatura: en total 240 sensores. En la figura. La Figura 9 muestra diagramas que muestran la distribución de temperaturas en la masa de suelo alrededor de un intercambiador de calor vertical al principio y al final de la primera temporada de calefacción. Al final de la temporada de calefacción se nota claramente una disminución de la temperatura de la masa de suelo alrededor del intercambiador de calor. Se produce un flujo de calor dirigido al intercambiador de calor desde la masa de suelo circundante, que compensa parcialmente la disminución de la temperatura del suelo causada por la "eliminación" de calor. Se estima que la magnitud de este flujo, en comparación con la magnitud del flujo de calor desde las entrañas de la Tierra en un área determinada (80-100 mW/m2), es bastante alta (varios vatios por metro cuadrado).

Arroz. 9. Esquemas de distribución de temperatura en la masa de suelo alrededor de un intercambiador de calor vertical al principio y al final de la primera temporada de calefacción.

Desde que los intercambiadores de calor verticales comenzaron a generalizarse relativamente hace aproximadamente 15 a 20 años, faltan en todo el mundo datos experimentales obtenidos durante el funcionamiento prolongado (varias décadas) de sistemas con intercambiadores de calor de este tipo. Surge la pregunta sobre la estabilidad de estos sistemas, sobre su fiabilidad durante largos períodos de funcionamiento. ¿Es el calor de baja calidad de la Tierra una fuente de energía renovable? ¿Cuál es el período de “renovación” de esta fuente?

Al operar una escuela rural en la región de Yaroslavl, equipada sistema de bomba de calor utilizando un intercambiador de calor de suelo vertical, los valores promedio de eliminación de calor específico estaban en el nivel de 120-190 W/lineal. m de longitud del intercambiador de calor.

Desde 1986 se investiga un sistema con intercambiadores de calor verticales en el suelo en Suiza, cerca de Zúrich. En la masa de suelo se instaló un intercambiador de calor de suelo de tipo coaxial vertical con una profundidad de 105 m. Este intercambiador de calor se utilizó como fuente de energía térmica de baja calidad para un sistema de bomba de calor instalado en un edificio residencial de un solo apartamento. El intercambiador de calor vertical del suelo proporcionó una potencia máxima de aproximadamente 70 W por metro de longitud, creando una carga térmica significativa en la masa del suelo circundante. La producción anual de energía térmica es de aproximadamente 13 MWh.

A una distancia de 0,5 y 1 m del pozo principal, se perforaron dos pozos adicionales, en los que se instalaron sensores de temperatura a una profundidad de 1, 2, 5, 10, 20, 35, 50, 65, 85 y 105 m. después de lo cual los pozos se llenaron con una mezcla de arcilla y cemento. Las temperaturas se midieron cada treinta minutos. Además de la temperatura del suelo, se registraron otros parámetros: la velocidad del refrigerante, el consumo de energía del accionamiento del compresor de la bomba de calor, la temperatura del aire, etc.

El primer período de observación duró de 1986 a 1991. Las mediciones han demostrado que la influencia del calor del aire exterior y la radiación solar se observa en la capa superficial del suelo a una profundidad de hasta 15 m. Por debajo de este nivel, el régimen térmico del suelo se forma principalmente debido al calor. del interior de la tierra. Durante los primeros 2 o 3 años de funcionamiento temperatura del suelo alrededor del intercambiador de calor vertical cayó bruscamente, pero cada año la disminución de la temperatura disminuyó, y después de unos años el sistema alcanzó un régimen casi constante, cuando la temperatura de la masa de suelo alrededor del intercambiador de calor se volvió 1-2 °C más baja que la uno original.

En el otoño de 1996, diez años después de que el sistema comenzara a funcionar, se reanudaron las mediciones. Estas mediciones mostraron que la temperatura del suelo no cambió significativamente. En los años siguientes se registraron ligeras fluctuaciones en la temperatura del suelo de 0,5 grados C dependiendo de la carga de calefacción anual. Así, el sistema alcanzó un modo casi estacionario después de los primeros años de funcionamiento.

A partir de datos experimentales se construyeron modelos matemáticos de los procesos que ocurren en la masa del suelo, lo que permitió realizar pronósticos a largo plazo de los cambios en la temperatura de la masa del suelo.

Los modelos matemáticos mostraron que la disminución anual de temperatura disminuirá gradualmente y el volumen de la masa de suelo alrededor del intercambiador de calor, sujeto a una disminución de temperatura, aumentará cada año. Al final del período de funcionamiento, comienza el proceso de regeneración: la temperatura del suelo comienza a subir. La naturaleza del proceso de regeneración es similar a la naturaleza del proceso de "selección" de calor: en los primeros años de funcionamiento hay un fuerte aumento de la temperatura del suelo, y en los años siguientes la tasa de aumento de temperatura disminuye. La duración del período de “regeneración” depende de la duración del período operativo. Estos dos períodos son aproximadamente iguales. En el caso que nos ocupa, el período de funcionamiento del intercambiador de calor terrestre fue de treinta años, y el período de "regeneración" también se estima en treinta años.

Por lo tanto, los sistemas de calefacción y refrigeración para edificios que utilizan calor de baja calidad procedente de la Tierra representan una fuente fiable de energía que se puede utilizar en todas partes. Esta fuente se puede utilizar durante bastante tiempo y se puede renovar al final del período de funcionamiento.

Literatura

1. Rybach L. Situación y perspectivas de las bombas de calor geotérmicas (GHP) en Europa y en todo el mundo; aspectos de sostenibilidad de las BPH. Curso internacional de bombas de calor geotérmicas, 2002

2. Vasiliev G.P., Krundyshev N.S. Escuela rural energéticamente eficiente en la región de Yaroslavl. ABOK N° 5, 2002

3. Sanner B. Fuentes de calor terrestre para bombas de calor (clasificación, características, ventajas). 2002

4. Rybach L. Situación y perspectivas de las bombas de calor geotérmicas (GHP) en Europa y en todo el mundo; aspectos de sostenibilidad de las BPH. Curso internacional de bombas de calor geotérmicas, 2002

5. Grupo de Trabajo ORKUSTOFNUN, Islandia (2001): Producción sostenible de energía geotérmica – definición sugerida. Noticias IGA no. 43, enero-marzo de 2001, 1-2

6. Rybach L., Sanner B. Sistemas de bombas de calor terrestres: la experiencia europea. GeoHeat- Centro Toro. 21/1, 2000

7. Ahorro de energía con Bombas de Calor Residenciales en Climas Fríos. Folleto Maxi 08. CADDET, 1997

8. Atkinson Schaefer L. Análisis de bomba de calor de absorción de presión única. Una disertación presentada a la facultad académica. Instituto de Tecnología de Georgia, 2000

9. Morley T. La máquina térmica invertida como medio para calentar edificios, The Engineer 133: 1922

10. Fearon J. La historia y desarrollo de la bomba de calor, refrigeración y aire acondicionado. 1978

11. Vasiliev G.P. Edificios energéticamente eficientes con sistemas de calefacción con bomba de calor. Revista Vivienda y Servicios Públicos, N° 12, 2002

12. Directrices para el uso de bombas de calor que utilizan recursos energéticos secundarios y fuentes de energía renovables no tradicionales. Moskomarkhitektura. Empresa Unitaria Estatal "NIAC", 2001

13. Edificio residencial energéticamente eficiente en Moscú. ABOK No. 4, 1999

14. Vasiliev G.P. Edificio residencial experimental energéticamente eficiente en el microdistrito Nikulino-2. ABOK N° 4, 2002

La dinámica de los cambios en la temperatura del suelo en invierno (2012-13) a una profundidad de 130 centímetros debajo de la casa (debajo del borde interior de los cimientos), así como a nivel del suelo y la temperatura del agua que sale del pozo, son publicado aquí. Todo esto está en la contrahuella que sale del pozo.
El gráfico está al final del artículo.
La dacha (en la frontera entre Nueva Moscú y la región de Kaluga) es de invierno y se visita periódicamente (2-4 veces al mes durante un par de días).
La zona ciega y el sótano de la casa no están aislados, desde el otoño se han cubierto con tapones termoaislantes (10 cm de espuma). La pérdida de calor por la terraza a la que sale la contrahuella ha cambiado en enero. Ver Nota 10.
Las mediciones a una profundidad de 130 cm se realizan mediante el sistema Xital GSM (), discreto - 0,5 * C, adicional. error: alrededor de 0,3*C.
El sensor está instalado en un tubo de HDPE de 20 mm soldado desde abajo cerca del tubo ascendente (en el exterior del aislamiento térmico del tubo ascendente, pero dentro del tubo de 110 mm).
El eje de abscisas muestra las fechas, el eje de ordenadas muestra las temperaturas.
Nota 1:
También controlaré la temperatura del agua en el pozo, así como a nivel del suelo debajo de la casa, justo en el tubo ascendente sin agua, pero solo al llegar. El error es de aproximadamente +-0,6*C.
Nota 2:
Temperatura a nivel del suelo debajo de la casa, cerca del tubo ascendente de la tubería de agua, en ausencia de personas y de agua, la temperatura bajó a -5°C. Esto sugiere que no fue en vano que hice el sistema. Por cierto, el termostato que mostraba -5 * C vino de este sistema (RT-12-16).
Nota 3:
La temperatura del agua "en el pozo" se mide con el mismo sensor (también en la Nota 2) que "a nivel del suelo": se encuentra directamente en el tubo ascendente debajo del aislamiento térmico, cerca del tubo ascendente a nivel del suelo. Estas dos mediciones se toman en diferentes momentos del tiempo. “A nivel del suelo”, antes de bombear agua al tubo ascendente y “en el pozo”, después de bombear aproximadamente 50 litros durante media hora con descansos.
Nota 4:
La temperatura del agua en el pozo puede estar algo subestimada, porque... No puedo buscar esta maldita asíntota bombeando agua sin cesar (la mía)... Juego lo mejor que puedo.
Nota 5: No relevante, eliminado.
Nota 6:
El error al registrar la temperatura de la calle es de aproximadamente +-(3-7)*C.
Nota 7:
La velocidad de enfriamiento del agua a nivel del suelo (sin encender la bomba) es de aproximadamente 1-2°C por hora (esto es -5°C a nivel del suelo).
Nota 8:
Olvidé describir cómo está dispuesto y aislado mi elevador subterráneo. El PND-32 está equipado con dos medias aislantes de 2 cm en total. espesor (aparentemente polietileno espumado), todo esto se inserta en 110 mm tubería de alcantarillado y allí se espuma hasta una profundidad de 130cm. Es cierto que, dado que el PND-32 no entró en el centro del tubo 110, y también que en el medio la masa de espuma ordinaria puede no endurecerse durante mucho tiempo y, por lo tanto, no convertirse en aislamiento, dudo mucho de la calidad de ese tipo de aislamiento adicional... Probablemente sería mejor utilizar espuma de dos componentes, cuya existencia supe más tarde...
Nota 9:
Me gustaría llamar la atención de los lectores sobre la medición de temperatura “A nivel del suelo” del 12 de enero de 2013. y desde el 18/01/2013 Aquí, en mi opinión, el valor de +0,3*C es notablemente mayor de lo esperado. Creo que esto es consecuencia de la operación “Llenar de nieve la base cercana a la contrahuella”, realizada el 31 de diciembre de 2012.
Nota 10:
Del 12 de enero al 3 de febrero, hice un aislamiento adicional de la terraza, donde va el elevador subterráneo.
Como resultado, según estimaciones aproximadas, la pérdida de calor de la terraza se redujo de 100 W/m2. piso a aproximadamente 50 (esto es a menos 20 * C afuera).
Esto se reflejó en los gráficos. Vea la temperatura a nivel del suelo el 9 de febrero: +1,4*C y el 16 de febrero: +1,1; temperaturas tan altas no se habían visto aún desde el comienzo del verdadero invierno.
Y una cosa más: del 4 al 16 de febrero, por primera vez en dos inviernos, de domingo a viernes, la caldera no se encendió para mantener la temperatura mínima fijada porque no alcanzaba esa mínima...
Nota 11:
Como prometí (en aras del “orden” y para completar el ciclo anual), publicaré periódicamente las temperaturas en verano. Pero no en el cronograma, para no "sombrear" el invierno, sino aquí, en la Nota-11.
11 de mayo de 2013
Después de 3 semanas de ventilación, las rejillas de ventilación se cerraron hasta el otoño para evitar depósitos de condensación.
13 de mayo de 2013(hace +25-30*C afuera desde hace una semana):
- debajo de la casa a nivel del suelo +10,5*C,
- debajo de la casa a una profundidad de 130 cm. +6*С,

12 de junio de 2013:
- debajo de la casa a nivel del suelo +14,5*C,
- debajo de la casa a una profundidad de 130 cm. +10*С.
- el agua de un pozo a una profundidad de 25 m no supera los +8*C.
26 de junio de 2013:
- debajo de la casa a nivel del suelo +16*C,
- debajo de la casa a una profundidad de 130 cm. +11*С.
- el agua en un pozo desde una profundidad de 25 m no supera los +9,3*C.
19 de agosto de 2013:
- debajo de la casa a nivel del suelo +15,5*C,
- debajo de la casa a una profundidad de 130 cm. +13,5*С.
- el agua en un pozo desde una profundidad de 25 m no supera los +9,0*C.
28 de septiembre de 2013:
- debajo de la casa a nivel del suelo +10,3*C,
- debajo de la casa a una profundidad de 130 cm. +12*С.
- agua en un pozo desde una profundidad de 25 m = +8,0*C.
26 de octubre de 2013:
- debajo de la casa a nivel del suelo +8,5*C,
- debajo de la casa a una profundidad de 130 cm. +9,5*С.
- el agua de un pozo a una profundidad de 25 m no supera los +7,5*C.
16 de noviembre de 2013:
- debajo de la casa a nivel del suelo +7,5*C,
- debajo de la casa a una profundidad de 130 cm. +9,0*С.
- agua en el pozo desde una profundidad de 25 m +7,5*C.
20 de febrero de 2014:
Esta es probablemente la última entrada de este artículo.
Vivimos en la casa constantemente durante todo el invierno, no tiene mucho sentido repetir las mediciones del año pasado, por lo que solo hay dos números significativos:
- la temperatura mínima debajo de la casa a nivel del suelo durante las heladas más frías (-20 - -30*C) una semana después de su inicio, cayó repetidamente por debajo de +0,5*C. En estos momentos me funcionó

Esto podría parecer fantástico si no fuera cierto. Resulta que en las duras condiciones siberianas se puede obtener calor directamente del suelo. Las primeras instalaciones con sistemas de calefacción geotérmica aparecieron en la región de Tomsk el año pasado y, aunque pueden reducir el coste del calor en comparación con las fuentes tradicionales en unas cuatro veces, todavía no hay una masa "bajo tierra". Pero la tendencia es notable y, lo más importante, está ganando impulso. De hecho, esta es la fuente de energía alternativa más accesible para Siberia, donde no siempre pueden demostrar su eficacia, por ejemplo, paneles solares o generadores eólicos. Básicamente, la energía geotérmica está simplemente bajo nuestros pies.

“La profundidad de congelación del suelo es de 2 a 2,5 metros. La temperatura de la tierra por debajo de esta marca sigue siendo la misma en invierno y verano, oscilando entre más uno y más cinco grados centígrados. El funcionamiento de la bomba de calor se basa en esta propiedad, afirma el ingeniero energético del Departamento de Educación de la administración del distrito de Tomsk. Roman Alekseenko. - Los tubos de conexión se entierran en el contorno de tierra a una profundidad de 2,5 metros, a una distancia de aproximadamente un metro y medio entre sí. El refrigerante, etilenglicol, circula por el sistema de tuberías. El circuito de tierra horizontal externo se comunica con la unidad de refrigeración, por la que circula el refrigerante: freón, un gas de bajo punto de ebullición. A más tres grados Celsius, este gas comienza a hervir, y cuando el compresor comprime bruscamente el gas en ebullición, la temperatura de este último aumenta a más 50 grados Celsius. El gas calentado se envía a un intercambiador de calor por el que circula agua destilada ordinaria. El líquido se calienta y distribuye el calor por todo el sistema de calefacción colocado en el suelo”.

Física pura y sin milagros.

El verano pasado se inauguró una guardería equipada con un moderno sistema danés de calefacción geotérmica en el pueblo de Turuntaevo, cerca de Tomsk. Según el director de la empresa de Tomsk "Ekoklimat" Georgy Granin, un sistema energéticamente eficiente permitió reducir varias veces los costes de suministro de calor. En ocho años, la empresa de Tomsk ya ha equipado unas doscientas instalaciones en diferentes regiones de Rusia con sistemas de calefacción geotérmica y continúa haciéndolo en la región de Tomsk. Así que no hay dudas sobre las palabras de Granin. Un año antes de la apertura de la guardería en Turuntaevo, Ecoclimate equipó otra kindergarten"Sunny Bunny" en el microdistrito "Green Hills" de Tomsk. De hecho, ésta fue la primera experiencia de este tipo. Y resultó ser bastante exitoso.

En 2012, durante una visita a Dinamarca organizada en el marco del programa del Centro Corresponsal Euro Info (EICC-Región de Tomsk), la empresa logró acordar una cooperación con la empresa danesa Danfoss. Y hoy en día, los equipos daneses ayudan a extraer calor de las profundidades de Tomsk y, como dicen los expertos sin excesiva modestia, resulta bastante eficaz. El principal indicador de eficiencia es la eficiencia. “El sistema de calefacción de una guardería de 250 metros cuadrados en Turuntaevo costó 1,9 millones de rublos”, dice Granin. "Y el coste de la calefacción es de 20.000 a 25.000 rublos al año". Esta cantidad no es comparable a lo que pagaría una guardería por la calefacción con fuentes tradicionales.

El sistema funcionó sin problemas en el invierno siberiano. Se calculó la conformidad del equipo de calefacción con las normas SanPiN, según las cuales debe mantener una temperatura en el edificio del jardín de infantes no inferior a +19°C con una temperatura del aire exterior de -40°C. En total, se gastaron unos cuatro millones de rublos en la remodelación, reparación y reequipamiento del edificio. Incluyendo la bomba de calor, la cantidad ascendía a poco menos de seis millones. Gracias a las bombas de calor, hoy en día la calefacción de una guardería es un sistema completamente aislado e independiente. El edificio ya no tiene radiadores tradicionales y la habitación se calienta mediante un sistema de "suelo cálido".

El jardín de infancia Turuntaevsky está aislado, como dicen, "de" a "hasta": el edificio está equipado con aislamiento térmico adicional: se instala una capa de aislamiento de 10 centímetros, equivalente a dos o tres ladrillos, sobre la pared existente (tres ladrillos de espesor). Detrás del aislamiento hay una capa de aire y luego hay un revestimiento de metal. El techo también está aislado de la misma forma. Los constructores se centraron principalmente en el "suelo cálido", el sistema de calefacción del edificio. El resultado fueron varias capas: un suelo de hormigón, una capa de espuma plástica de 50 mm de espesor, un sistema de tuberías por el que circula agua caliente y linóleo. Aunque la temperatura del agua en el intercambiador de calor puede alcanzar los +50°C, el calentamiento máximo del revestimiento del suelo real no supera los +30°C. La temperatura real de cada habitación se puede ajustar manualmente: los sensores automáticos le permiten ajustar la temperatura del suelo para que la habitación del jardín de infancia se caliente al nivel requerido normas sanitarias grados.

La potencia de la bomba en el jardín de infancia Turuntaevsky es de 40 kW de energía térmica generada, para cuya producción la bomba de calor requiere 10 kW de energía eléctrica. Así, de 1 kW consumido energía eléctrica La bomba de calor produce 4 kW de calor. “Teníamos un poco de miedo al invierno; no sabíamos cómo se comportarían las bombas de calor. Pero incluso en caso de heladas severas, el jardín de infancia estaba constantemente cálido: de más 18 a 23 grados centígrados, dice el director de Turuntaevskaya escuela secundaria Evgeniy Belonogov. - Por supuesto, vale la pena considerar que el edificio en sí estaba bien aislado. El mantenimiento del equipo no tiene pretensiones y, a pesar de que se trata de un desarrollo occidental, ha demostrado ser bastante eficaz en nuestras duras condiciones siberianas”.

La EICC-Región de Tomsk de la Cámara de Comercio e Industria de Tomsk implementó un proyecto integral para intercambiar experiencias en el campo de la conservación de recursos. Sus participantes eran pequeñas y medianas empresas que desarrollaban e implementaban tecnologías que ahorran recursos. En mayo del año pasado, expertos daneses visitaron Tomsk en el marco del proyecto ruso-danés y el resultado fue, como dicen, obvio.

La innovación llega a la escuela

Una nueva escuela en el pueblo de Vershinino, región de Tomsk, construida por un agricultor Mijaíl Kolpakov, es la tercera instalación de la región que utiliza el calor de la tierra como fuente de calor para calefacción y suministro de agua caliente. La escuela también es única porque tiene la categoría de eficiencia energética más alta: "A". El sistema de calefacción fue diseñado y puesto en marcha por la misma empresa "Ekoklimat".

"Cuando decidimos qué tipo de calefacción instalar en la escuela, teníamos varias opciones: una sala de calderas de carbón y bombas de calor", dice Mikhail Kolpakov. - Estudiamos la experiencia de un jardín de infancia energéticamente eficiente en Zeleny Gorki y calculamos que calentar a la antigua usanza con carbón nos costaría más de 1,2 millones de rublos por invierno, y también necesitamos agua caliente. Y con las bombas de calor, el coste será de unos 170 mil durante todo el año, incluyendo el agua caliente”.

El sistema sólo necesita electricidad para producir calor. Con un consumo de 1 kW de electricidad, las bombas de calor de la escuela producen alrededor de 7 kW de energía térmica. Además, a diferencia del carbón y el gas, el calor de la Tierra es una fuente de energía que se renueva a sí misma. La instalación de un moderno sistema de calefacción en la escuela costó aproximadamente 10 millones de rublos. Para ello se perforaron 28 pozos en el recinto escolar.

“La aritmética aquí es simple. Calculamos que el mantenimiento de una sala de calderas de carbón, teniendo en cuenta el salario del fogonero y el coste del combustible, costaría más de un millón de rublos al año”, señala el jefe del departamento de educación. Serguéi Efimov. - Cuando utilice bombas de calor, tendrá que pagar unos quince mil rublos al mes por todos los recursos. Las indudables ventajas del uso de bombas de calor son su eficiencia y respeto al medio ambiente. El sistema de suministro de calor permite regular el suministro de calor en función del clima exterior, lo que elimina el llamado "subcalentamiento" o "sobrecalentamiento" de la habitación".

Según cálculos preliminares, los costosos equipos daneses se amortizarán en cuatro o cinco años. La vida útil de las bombas de calor Danfoss con las que trabaja Ekoklimat LLC es de 50 años. Al recibir información sobre la temperatura del aire exterior, la computadora determina cuándo calentar la escuela y cuándo no. Por tanto, la cuestión de la fecha de encendido y apagado de la calefacción desaparece por completo. Independientemente del clima fuera de las ventanas dentro de la escuela, el control del clima siempre funcionará para los niños.

“Cuando el Embajador Extraordinario y Plenipotenciario del Reino de Dinamarca asistió a la reunión de toda Rusia el año pasado y visitó nuestro jardín de infancia en Green Gorki, quedó gratamente sorprendido de que aquellas tecnologías que se consideran innovadoras incluso en Copenhague se apliquen y funcionen en Tomsk. región”, habla director comercial empresa ecoclima Alejandro Granin.

En general, el uso de fuentes locales de energía renovable en diversos sectores de la economía, en este caso en el ámbito social, que incluye escuelas y jardines de infancia, es una de las principales direcciones implementadas en la región como parte del programa de ahorro energético y aumentando la eficiencia energética. El gobernador regional apoya activamente el desarrollo de las energías renovables Serguéi Zhvachkin. Y tres instituciones presupuestarias con un sistema de calefacción geotérmica son sólo los primeros pasos hacia la implementación de un proyecto grande y prometedor.

La guardería de Green Hills fue reconocida como la mejor instalación energéticamente eficiente de Rusia en un concurso celebrado en Skolkovo. Luego apareció la escuela Vershininskaya con calefacción geotérmica, también de la categoría de eficiencia energética más alta. La siguiente instalación, no menos importante para la región de Tomsk, es la guardería en Turuntaevo. Este año, las empresas Gazkhimstroyinvest y Stroygarant ya han comenzado la construcción de guarderías para 80 y 60 niños en los pueblos de la región de Tomsk, Kopylovo y Kandinka, respectivamente. Ambas nuevas instalaciones se calentarán mediante sistemas de calefacción geotérmica, procedentes de bombas de calor. En total, este año la administración del distrito pretende gastar casi 205 millones de rublos en la construcción de nuevas guarderías y en la renovación de las existentes. Es necesario reconstruir y reequipar el edificio de la guardería en el pueblo de Takhtamyshevo. En este edificio también se instalará calefacción mediante bombas de calor, ya que el sistema ha demostrado su eficacia.

La temperatura cambia con la profundidad. Debido al suministro desigual de calor solar, la superficie terrestre a veces se calienta y otras se enfría. Estas fluctuaciones de temperatura penetran muy superficialmente en el espesor de la Tierra. Por lo tanto, las fluctuaciones diarias a una profundidad de 1 metro Por lo general, ya casi no se sienten. En cuanto a las fluctuaciones anuales, penetran diferentes profundidades:v países cálidos a las 10-15 metro, y en países con invierno frio y en veranos calurosos hasta 25-30 e incluso 40 metro. Más profundo 30-40 metro Ya en todas partes de la Tierra la temperatura se mantiene sin cambios. Por ejemplo, un termómetro colocado en el sótano del Observatorio de París siempre ha marcado 11°,85C durante más de 100 años.

Una capa con temperatura constante se observa en todo el mundo y se llama cinturón de temperatura constante o neutra. La profundidad de este cinturón varía según las condiciones climáticas y la temperatura es aproximadamente igual a la temperatura media anual de un lugar determinado.

Al profundizar en la Tierra por debajo de una capa de temperatura constante, se suele notar un aumento gradual de la temperatura. Esto lo notaron por primera vez los trabajadores de las minas profundas. Esto también se observó durante la construcción de túneles. Por ejemplo, durante la construcción del túnel del Simplon (en los Alpes), la temperatura subió a 60°, lo que generó considerables dificultades en el trabajo. En las perforaciones profundas se observan temperaturas aún más altas. Un ejemplo es el pozo Chukhovskaya (Alta Silesia), en el que a una profundidad de 2220 metro la temperatura superaba los 80° (83°, 1), etc. A partir de numerosas observaciones realizadas en distintos lugares de la Tierra, se pudo establecer que en promedio, con una profundización cada 33 metro la temperatura aumenta 1°C.

El número de metros que hay que profundizar en la Tierra para que la temperatura aumente 1°C se llama paso geotérmico. La etapa geotérmica no es la misma en diferentes casos y la mayoría de las veces oscila entre 30 y 35 metro. En algunos casos, estas fluctuaciones pueden ser mayores. Por ejemplo, en el estado de Michigan (EE.UU.), en uno de los pozos ubicados cerca del lago. Michigan, la etapa geotérmica resultó no ser 33, sino 70 metros. Por el contrario, se observó un paso geotérmico muy pequeño en uno de los pozos de México, allí a una profundidad de 670 metro El agua apareció con una temperatura de 70°. Así, la etapa geotérmica resultó ser de sólo unos 12 metro. También se observan pequeños pasos geotérmicos en zonas volcánicas, donde a poca profundidad pueden existir estratos de rocas ígneas aún no enfriadas. Pero todos estos casos no son tanto reglas como excepciones.

Son muchas las razones que influyen en la etapa geotérmica. (Además de lo anterior, podemos señalar la diferente conductividad térmica de las rocas, la naturaleza de la aparición de capas, etc.

El terreno es de gran importancia en la distribución de las temperaturas. Esto último se puede ver claramente en el dibujo adjunto (Fig. 23), que representa una sección transversal de los Alpes a lo largo de la línea del Túnel del Simplon, con geoisotermas punteadas (es decir, líneas de temperaturas iguales dentro de la Tierra). Las geoisotermas aquí parecen seguir el relieve, pero con la profundidad la influencia del relieve disminuye gradualmente. (La fuerte curvatura descendente de las geoisotermas en Balle se debe a la fuerte circulación de agua que se observa aquí).

Temperatura de la Tierra a grandes profundidades. Observaciones de temperaturas en pozos cuya profundidad rara vez supera los 2-3 kilómetros, Naturalmente, no pueden dar una idea de las temperaturas de las capas más profundas de la Tierra. Pero aquí nos ayudan algunos fenómenos de la vida en la corteza terrestre. El vulcanismo es uno de estos fenómenos. Volcanes extendidos por superficie de la tierra, trae lava fundida a la superficie de la Tierra, cuya temperatura supera los 1000°. Por tanto, a grandes profundidades tenemos temperaturas superiores a los 1000°.

Hubo un tiempo en que los científicos, basándose en la etapa geotérmica, intentaron calcular la profundidad a la que podían producirse temperaturas de hasta 1000-2000°. Sin embargo, tales cálculos no pueden considerarse suficientemente fundamentados. Las observaciones realizadas sobre la temperatura de una bola de basalto que se enfría y los cálculos teóricos dan motivos para decir que la magnitud del paso geotérmico aumenta con la profundidad. Pero todavía no podemos decir hasta qué punto y con qué profundidad se produce tal aumento.

Si suponemos que la temperatura aumenta continuamente con la profundidad, entonces en el centro de la Tierra debería medirse en decenas de miles de grados. A tales temperaturas, todas las rocas que conocemos deberían pasar a un estado líquido. Es cierto que dentro de la Tierra hay una presión enorme y no sabemos nada sobre el estado de los cuerpos bajo tales presiones. Sin embargo, no tenemos ninguna evidencia que diga que la temperatura aumenta continuamente con la profundidad. Actualmente, la mayoría de los geofísicos llegan a la conclusión de que la temperatura en el interior de la Tierra difícilmente puede superar los 2000°.

Fuentes de calor. En cuanto a las fuentes de calor que determinan la temperatura interna de la Tierra, pueden ser diferentes. Partiendo de hipótesis que consideran que la Tierra se formó a partir de una masa caliente y fundida, el calor interno debe considerarse el calor residual de un cuerpo que se enfría desde la superficie. Sin embargo, hay motivos para creer que la causa de la alta temperatura interna de la Tierra puede ser la desintegración radiactiva del uranio, torio, actinouranio, potasio y otros elementos contenidos en las rocas. Los elementos radiactivos se distribuyen principalmente en las rocas ácidas de la superficie de la Tierra; una menor cantidad se encuentra en las rocas básicas profundas. Al mismo tiempo, las rocas básicas son más ricas en ellos que los meteoritos de hierro, que se consideran fragmentos de las partes internas de los cuerpos cósmicos.

A pesar de la pequeña cantidad de sustancias radiactivas en las rocas y su lenta desintegración, la cantidad total de calor resultante de la desintegración radiactiva es grande. Geólogo soviético V. G. Khlopin calculó que los elementos radiactivos contenidos en la capa superior de 90 kilómetros de la Tierra son suficientes para cubrir la pérdida de calor del planeta por radiación. Junto con la desintegración radiactiva, la energía térmica se libera durante la compresión de la materia terrestre, cuando reacciones quimicas etc.

- Fuente-

Polovinkin, A.A. Fundamentos de geociencia general/ A.A. Polovinkin. - M.: Editorial estatal educativa y pedagógica del Ministerio de Educación de la RSFSR, 1958. - 482 p.

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