Поверхневий шар ґрунту Землі – це природний тепловий акумулятор. Головне джерело теплової енергії, що надходить у верхні шари Землі – сонячна радіація. На глибині близько 3 м і більше (нижче за рівень промерзання) температура ґрунту протягом року практично не змінюється і приблизно дорівнює середньорічній температурі зовнішнього повітря. На глибині 1,5-3,2 м взимку температура становить від +5 до +7°С, а влітку від +10 до +12°С. Цим теплом можна взимку не допустити замерзання будинку, а влітку не дати йому перегрітися вище 18°С. -20°С

Самим простим способомВикористання тепла землі є використання ґрунтового теплообмінника (ПТО). Під землею, нижче рівня промерзання ґрунту, укладається система повітроводів, які виконують функцію теплообмінника між землею та повітрям, що проходить по цих повітроводах. Взимку входить холодне повітря, яке надходить і проходить по трубах - нагрівається, а влітку - охолоджується. При раціональному розміщенні повітроводів можна відбирати з ґрунту значну кількість теплової енергії з невеликими витратами електроенергії.

Можна використовувати теплообмінник труба в трубі. Внутрішні димарі з нержавіючої сталі виступають тут у ролі рекуператорів.

Охолодження у літній період

У теплу пору року ґрунтовий теплообмінник забезпечує охолодження припливного повітря. Зовнішнє повітря надходить через воздухозаборное пристрій грунтовий теплообмінник, де охолоджується з допомогою грунту. Потім охолоджене повітря подається повітропроводами в припливно-витяжну установку, в якій на літній період замість рекуператора встановлена ​​літня вставка. Завдяки такому рішенню відбувається зниження температури в приміщеннях, покращується мікроклімат у будинку, знижуються витрати електроенергії на кондиціювання.

Робота у міжсезоння

Коли різниця між температурою зовнішнього та внутрішнього повітря невелика, подачу свіжого повітря можна здійснювати через припливні ґрати, розміщені на стіні будинку у надземній частині. У той період, коли різниця суттєва, подачу свіжого повітря можна здійснювати через ПТО, забезпечуючи підігрів/охолодження повітря.

Економія у зимовий період

У холодну пору року зовнішнє повітря надходить через повітрозабірний пристрій ПТО, де прогрівається і потім надходить в припливно-витяжну установку для нагрівання в рекуператорі. Попереднє нагрівання повітря в ПТО знижує ймовірність зледеніння рекуператора припливно-витяжної установки, збільшуючи ефективний час використання рекуперації та мінімізує витрати на додаткове нагрівання повітря у водяному/електричному нагрівачі.

Як розраховуються витрати на підігрів та охолодження повітря

Можна попередньо підрахувати витрати на нагрівання повітря в зимовий період для приміщення, куди надходить повітря за нормативу 300 м3/год. У зимовий період середньодобова температура протягом 80 днів становить -5°С – її потрібно підігріти до +20°С. Для нагріву такої кількості повітря потрібно витрачати 2,55 кВт на годину (за відсутності системи утилізації тепла). При використанні геотермальної системи відбувається підігрів зовнішнього повітря до +5 і тоді на догрівання повітря до комфортного йде 1,02 кВт. Ще краща ситуація при використанні рекуперації – треба витрачати лише 0,714 кВт. За період 80 днів буде витрачено відповідно 2448 кВт*год теплової енергії, а геотермальні системи знизять витрати на 1175 або 685 кВт*год.

У міжсезоння протягом 180 днів середньодобова температура становить +5°С – її потрібно підігріти до +20°С. Планові витрати становлять 3305 кВт*год, а геотермальні системи знизять витрати на 1322 або 1102 кВт*год.

У літній період протягом 60 днів середньодобова температура близько +20°С, але протягом 8 годин вона знаходиться в межах +26°С. Витрати для охолодження становитимуть 206 кВт*год, а геотермальна система знизить витрати на 137 кВт*год.

Протягом року роботу такої геотермальної системи оцінюють за допомогою коефіцієнта - SPF (фактор сезонної потужності), що визначається як відношення кількості отриманої теплової енергії до кількості спожитої електричної з урахуванням сезонних змін температури повітря/ґрунту.

Для отримання від ґрунту 2634 кВт·год теплової потужності на рік вентиляційною установкою витрачається 635 кВт·год електроенергії.

SPF = 2634/635 = 4,14.

За матеріалами.

"Використання низькопотенційної теплової енергії землі у теплонасосних системах"
Васильєв Г.П., Науковий керівник ВАТ "ІНСОЛАР-ІНВЕСТ", д.т.н., Голова Ради директорів ВАТ "ІНСОЛАР-ІНВЕСТ"

Н. В. Шилкін, інженер, НДІСФ (Москва) Раціональне використання паливно- є сьогодні однією з глобальних світових проблем, успішне вирішення якої, мабуть, матиме визначальне значення не тільки для подальшого розвитку світової спільноти, але й для збереження довкілля його проживання. Одним із перспективних шляхів вирішення цієї проблеми є застосування нових енергозберігаючих технологій, що використовують нетрадиційні відновлювані джерела енергії (НВІЕ)Виснаження запасів традиційного викопного палива та екологічні наслідки його спалювання зумовили останні десятиліття значне підвищення інтересу до цих технологій практично у всіх розвинених країнах світу.

Переваги технологій теплопостачання, що використовують у порівнянні з їх традиційними аналогами, пов'язані не лише зі значними скороченнями витрат енергії в системах життєзабезпечення будівель та споруд, але й з їхньою екологічною чистотою, а також новими можливостями в області підвищення ступеня автономності систем життєзабезпечення. Очевидно, у недалекому майбутньому саме ці якості матимуть визначальне значення у формуванні конкурентної ситуації на ринку теплогенеруючого обладнання.

Аналіз можливих сфер застосування в економіці Росії технологій енергозбереження, що використовують нетрадиційні джерела енергії, показує, що у Росії найбільш перспективною областюїх застосування є системи життєзабезпечення будівель. При цьому дуже ефективним напрямом впровадження розглянутих технологій у практику вітчизняного будівництва є широке застосування теплонасосних систем теплопостачання (ТСТ), що використовують як повсюдно доступне джерело тепла низького потенціалу грунт поверхневих шарів Землі.

При використанні тепла Земліможна виділити два види теплової енергії - високопотенційну та низькопотенційну. Джерелом високопотенційної теплової енергії є гідротермальні ресурси - термальні води, нагріті в результаті геологічних процесів до високої температури, що дозволяє їх використовувати для теплопостачання будівель. Однак використання високопотенційного тепла Землі обмежене районами з певними геологічними параметрами. У Росії це, наприклад, Камчатка, район Кавказьких мінеральних вод; в Європі джерела високопотенційного тепла є в Угорщині, Ісландії та Франції.

На відміну від «прямого» використання високопотенційного тепла (гідротермальні ресурси), використання низькопотенційного тепла Земліза допомогою теплових насосів можливо практично повсюдно. В даний час це один з напрямків використання, що найбільш динамічно розвиваються. нетрадиційних поновлюваних джерел енергії.

Низькопотенційне тепло Земліможе використовуватися в різних типах будівель і споруд багатьма способами: для опалення, гарячого водопостачання, кондиціювання (охолодження) повітря, обігріву доріжок зимовий часроку, для запобігання зледеніння, підігріву полів на відкритих стадіонах і т.п. геотермальні теплові насоси.

Кліматичні характеристики країн Центральної та Північної Європи, які разом із США та Канадою є головними районами використання низькопотенційного тепла Землі, визначають головним чином потребу в опаленні; охолодження повітря навіть у літній період потрібно відносно рідко. Тому, на відміну від США, теплові насосив європейських країнах працюють переважно в режимі опалення. В США теплові насосичастіше використовуються в системах повітряного опалення, поєднаного з вентиляцією, що дозволяє підігрівати, так і охолоджувати зовнішнє повітря. У європейських країнах теплові насосизазвичай використовуються в системах водяного опалення. Оскільки ефективність теплових насосівзбільшується при зменшенні різниці температур випарника та конденсатора, часто для опалення будівель використовуються системи опалення підлоги, в яких циркулює теплоносій щодо низької температури (35–40 оC).

Більшість теплових насосівв Європі, призначені для використання низькопотенційного тепла Землі, обладнано компресорами з електричним приводом.

За останні десять років кількість систем, що використовують для тепло- та холодопостачання будівель низькопотенційне тепло Землі за допомогою теплових насосів, значно побільшало. Найбільше таких систем використовується у США. Велика кількість таких систем функціонують у Канаді та країнах центральної та Північної Європи: Австрії, Німеччини, Швеції та Швейцарії. Швейцарія лідирує за величиною використання низькопотенційної теплової енергії Землі душу населення. У Росії за останні десять років за технологією та за участю ВАТ «ІНСОЛАР-ІНВЕСТ», що спеціалізується в цій галузі, побудовані лише поодинокі об'єкти, найцікавіші з яких представлені в .

У Москві в мікрорайоні Нікуліно-2 фактично вперше було збудовано теплонасосна система гарячого водопостачаннябагатоповерхового житлового будинку. Цей проект було реалізовано у 1998-2002 роках Міністерством оборони РФ спільно з Урядом Москви, Мінпромнауки Росії, Асоціацією НП «АВОК» та в рамках «Довгострокової програми енергозбереження у м. Москві».

Як низькопотенційне джерело теплової енергії для випарників теплових насосів використовується тепло ґрунту поверхневих шарів Землі, а також тепло вентиляційного повітря, що видаляється. Установка для підготовки гарячого водопостачання розташована у підвалі будівлі. Вона включає такі основні елементи:

• парокомпресійні теплонасосні установки (ТНУ);
• баки-акумулятори гарячої води;
• системи збору низькопотенційної теплової енергії ґрунту та низькопотенційного тепла вентиляційного повітря, що видаляється;
• циркуляційні насоси, контрольно-вимірювальну апаратуру

Основним теплообмінним елементом системи збирання низькопотенційного тепла ґрунту є вертикальні ґрунтові теплообмінники коаксіального типу, розташовані зовні по периметру будівлі. Ці теплообмінники є 8 свердловин глибиною від 32 до 35 м кожна, влаштованих поблизу будинку. Оскільки режим роботи теплових насосів, які використовують тепло земліі тепло повітря, що видаляється, постійне, а споживання гарячої води змінне, система гарячого водопостачання обладнана баками-акумуляторами.

Дані, що оцінюють світовий рівень використання низькопотенційної теплової енергії Землі за допомогою теплових насосів, наведено у таблиці.

Таблиця 1. Світовий рівень використання низькопотенційної теплової енергії Землі за допомогою теплових насосів

Ґрунт як джерело низькопотенційної теплової енергії

Як джерело низькопотенційної теплової енергії можуть використовуватися підземні води з відносно низькою температурою або ґрунт поверхневих (глибиною до 400 м) шарів Землі. Тепловміст ґрунтового масиву в загальному випадку вище. Тепловий режим грунту поверхневих шарів Землі формується під дією двох основних факторів – сонячної радіації, що падає на поверхню, і потоком радіогенного тепла із земних надр. Сезонні та добові зміни інтенсивності сонячної радіації та температури зовнішнього повітря викликають коливання температури верхніх шарів ґрунту. Глибина проникнення добових коливань температури зовнішнього повітря та інтенсивності падаючої сонячної радіації в залежності від конкретних ґрунтово- кліматичних умовколивається в межах від кількох десятків сантиметрів до півтора метра. Глибина проникнення сезонних коливань температури зовнішнього повітря та інтенсивності падаючої сонячної радіації не перевищує, як правило, 15–20 м.

Температурний режим шарів ґрунту, розташованих нижче цієї глибини («нейтральної зони»), формується під впливом теплової енергії, що надходить із надр Землі і практично не залежить від сезонних, а тим більше добових змін параметрів зовнішнього клімату (рис. 1).

Мал. 1. Графік зміни температури ґрунту залежно від глибини

Зі збільшенням глибини температура ґрунту зростає відповідно до геотермічного градієнта (приблизно 3 градуси С на кожні 100 м). Величина потоку радіогенного тепла, що надходить із земних надр, для різних місцевостей відрізняється. Для Центральної Європиця величина становить 0,05-0,12 Вт/м2.

В експлуатаційний період масив ґрунту, що знаходиться в межах зони теплового впливу регістра труб ґрунтового теплообмінника системи збору низькопотенційного тепла ґрунту (системи теплозбору), внаслідок сезонної зміни параметрів зовнішнього клімату, а також під впливом експлуатаційних навантажень на систему теплозбору, як правило, піддається багаторазовому заморанню відтаванню. При цьому, природно, відбувається зміна агрегатного стану вологи, укладеної в порах ґрунту і яка знаходиться в загальному випадку як в рідкій, так і в твердій та газоподібній фазах одночасно. Інакше кажучи, ґрунтовий масив системи теплозбору, незалежно від того, в якому стані він знаходиться (у мерзлом або талом), є складною трифазною полідисперсною гетерогенною системою, скелет якої утворений величезною кількістю твердих частинок різноманітної форми і величини і може бути як жорстким, так і рухомим, залежно від того, чи міцно пов'язані між собою частинки або вони відокремлені один від одного речовиною в рухомій фазі. Проміжки між твердими частинками можуть бути заповнені мінералізованою вологою, газом, парою і льодом або тим і іншим водночас. Моделювання процесів тепломасоперенесення, що формують тепловий режим такої багатокомпонентної системи, є надзвичайно складним завданням, оскільки вимагає обліку та математичного опису різноманітних механізмів їх здійснення: теплопровідності в окремій частинці, теплопередачі від однієї частинки до іншої при їх контакті, молекулярної теплопровідності в середовищі, що заповнює проміжки між частинками, конвекції пари та вологи, що містяться в поровому просторі, та багатьох інших.

Особливо слід зупинитися на вплив вологості ґрунтового масиву та міграції вологи в його поровому просторі на теплові процеси, що визначають характеристики ґрунту як джерела низькопотенційної теплової енергії.

У капілярно-пористих системах, якою є ґрунтовий масив системи теплозбору, наявність вологи в поровому просторі помітно впливає на процес поширення тепла. Коректний облік цього впливу на сьогодні пов'язаний із значними труднощами, які насамперед пов'язані з відсутністю чітких уявлень про характер розподілу твердої, рідкої та газоподібної фаз вологи в тій чи іншій структурі системи. Досі не з'ясовано природу сил зв'язку вологи з частинками скелета, залежність форм зв'язку вологи з матеріалом на різних стадіях зволоження, механізм переміщення вологи у поровому просторі.

За наявності в товщі ґрунтового масиву температурного градієнта молекули пари переміщуються до місць, що мають знижений температурний потенціал, але в той же час під дією гравітаційних сил виникає протилежно спрямований потік вологи в рідкій фазі. Крім цього, на температурний режим верхніх шарів ґрунту впливає волога. атмосферних опадів, а також ґрунтові води.

Основні фактори, під впливом яких формуються температурний режимґрунтового масиву систем збирання низькопотенційного тепла ґрунту, наведені на рис. 2.

Мал. 2. Фактори, під впливом яких формуються температурний режим ґрунту

Види систем використання низькопотенційної теплової енергії Землі

Грунтові теплообмінники пов'язують теплонасосне обладнанняіз ґрунтовим масивом. Крім «вилучення» тепла Землі, ґрунтові теплообмінники можуть використовуватися і для накопичення тепла (або холоду) у ґрунтовому масиві.

Загалом можна виділити два види систем використання низькопотенційної теплової енергії Землі:

• відкриті системи:як джерело низькопотенційної теплової енергії використовуються грунтові води, що підводяться безпосередньо до теплових насосів;
• замкнуті системи:теплообмінники розташовані у ґрунтовому масиві; при циркуляції по них теплоносія з пониженою відносно ґрунту температурою відбувається «відбір» теплової енергії від ґрунту та перенесення її до випарника теплового насосу(або, при використанні теплоносія з підвищеною відносно ґрунту температурою, його охолодження).

Основна частина відкритих систем – свердловини, що дозволяють витягувати ґрунтові води з водоносних шарів ґрунту та повертати воду назад у ті ж водоносні шари. Зазвичай при цьому влаштовуються парні свердловини. Схему такої системи наведено на рис. 3.

Мал. 3. Схема відкритої системи використання низькопотенційної теплової енергії ґрунтових вод

Перевагою відкритих систем є можливість отримання великої кількості теплової енергії за відносно низьких витрат. Проте свердловини потребують обслуговування. Крім того, використання таких систем можливе не у всіх місцевостях. Головні вимоги до ґрунту та ґрунтових вод такі:

• достатня водопроникність ґрунту, що дозволяє поповнюватися запасам води;
• гарний хімічний складґрунтових вод (наприклад, низький залізомміст), що дозволяє уникнути проблем, пов'язаних з утворенням відкладення на стінках труб та корозією.

Відкриті системи найчастіше використовуються для тепло- або холодопостачання великих будівель. Найбільша у світі геотермальна теплонасосна системавикористовує як джерело низькопотенційної теплової енергії ґрунтові води. Ця система розташована в США в м. Луїсвілль (Louisville), штат Кентуккі. Система використовується для тепло- та холодопостачання готельно-офісного комплексу; її потужність становить приблизно 10 МВт.

Іноді до систем, що використовують тепло Землі, відносять і системи використання низькопотенційного тепла відкритих водойм, природних та штучних. Такий підхід ухвалено, зокрема, у США. Системи, що використовують низькопотенційне тепло водойм, відносяться до відкритих, як і системи, що використовують низькопотенційне тепло ґрунтових вод.

Замкнуті системи, у свою чергу, поділяються на горизонтальні та вертикальні.

Горизонтальний ґрунтовий теплообмінник(в англомовній літературі використовуються також терміни «ground heat collector» та «horizontal loop») влаштовується, як правило, поряд з будинком на невеликій глибині (але нижче за рівень промерзання ґрунту в зимовий час). Використання горизонтальних ґрунтових теплообмінників обмежено розмірами наявного майданчика.

У країнах Західної та Центральної Європи горизонтальні ґрунтові теплообмінники зазвичай є окремими трубами, покладеними відносно щільно і з'єднаними між собою послідовно або паралельно (рис. 4а, 4б). Для економії площі ділянки були розроблені вдосконалені типи теплообмінників, наприклад теплообмінники у формі спіралі, розташованої горизонтально або вертикально (рис 4д, 4е). Така форма теплообмінників поширена США.

Мал. 4. Види горизонтальних ґрунтових теплообмінників
а – теплообмінник із послідовно з'єднаних труб;
б – теплообмінник із паралельно з'єднаних труб;
в – горизонтальний колектор, покладений у траншеї;
г – теплообмінник у формі петлі;
д – теплообмінник у формі спіралі, розташованої горизонтально (так званий "slinky" колектор;
е – теплообмінник у формі спіралі, розташованої вертикально

Якщо система з горизонтальними теплообмінниками використовується лише для одержання тепла, її нормальне функціонування можливе лише за умови достатніх теплонадходжень із поверхні землі за рахунок сонячної радіації. З цієї причини поверхня вище теплообмінників повинна бути схильною до впливу сонячних променів.

Вертикальні ґрунтові теплообмінники(в англомовній літературі прийнято позначення «BHE» – «borehole heat exchanger») дозволяють використовувати низькопотенційну теплову енергію ґрунтового масиву, що лежить нижче за «нейтральну зону» (10–20 м від рівня землі). Системи з вертикальними ґрунтовими теплообмінниками не вимагають ділянок великої площі та не залежать від інтенсивності сонячної радіації, що падає на поверхню. Вертикальні ґрунтові теплообмінники ефективно працюють практично у всіх видах геологічних середовищ, за винятком ґрунтів із низькою теплопровідністю, наприклад, сухого піску або сухого гравію. Системи з вертикальними ґрунтовими теплообмінниками набули дуже широкого поширення.

Схема опалення та гарячого водопостачання одноквартирного житлового будинку за допомогою теплонасосної установки з вертикальним ґрунтовим теплообмінником наведена на рис. 5.

Мал. 5. Схема опалення та гарячого водопостачання одноквартирного житлового будинку за допомогою теплонасосної установки з вертикальним ґрунтовим теплообмінником

Теплоносій циркулює по трубах (найчастіше поліетиленовим або поліпропіленовим), укладеним у вертикальних свердловинах глибиною від 50 до 200 м. Зазвичай використовується два типи вертикальних ґрунтових теплообмінників (рис. 6):

• U-подібний теплообмінник, що є дві паралельні труби, з'єднані в нижній частині. В одній свердловині розташовуються одна або дві (рідше три) пари таких труб. Перевагою такої схеми є досить низька вартість виготовлення. Подвійні U-подібні теплообмінники – тип вертикальних ґрунтових теплообмінників, що найбільш широко використовується в Європі.
• Коаксіальний (концентричний) теплообмінник. Найпростіший коаксіальний теплообмінник є дві труби різного діаметра. Труба меншого діаметра розташовується усередині іншої труби. Коаксіальні теплообмінники можуть бути і складніших конфігурацій.

Мал. 6. Перетин різних типів вертикальних ґрунтових теплообмінників

Для збільшення ефективності теплообмінників простір між стінками свердловини та трубами заповнюється спеціальними теплопровідними матеріалами.

Системи з вертикальними ґрунтовими теплообмінниками можуть використовуватися для тепло- та холодопостачання будівель різних розмірів. Для невеликої будівлі достатньо одного теплообмінника; для великих будівель може знадобитися влаштування цілої групи свердловин з вертикальними теплообмінниками. Найбільше у світі число свердловин використовується в системі тепло- та холодопостачання Richard Stockton College в США в штаті Нью-Джерсі. Вертикальні ґрунтові теплообмінники цього коледжу розташовуються в 400 свердловинах глибиною 130 м. У Європі найбільше свердловин (154 свердловини глибиною 70 м) використовуються в системі тепло- та холодопостачання центрального офісу Німецької служби управління повітряним рухом (Deutsche Flug-sicher).

Приватним випадком вертикальних замкнутих систем є використання як ґрунтових теплообмінників будівельних конструкцій, наприклад фундаментних паль із замонолічними трубопроводами. Перетин такої палі з трьома контурами ґрунтового теплообмінника наведено на рис. 7.

Мал. 7. Схема ґрунтових теплообмінників, замонолічених у фундаментні палі будівлі та поперечний переріз такої палі

Ґрунтовий масив (у разі вертикальних ґрунтових теплообмінників) та будівельні конструкції із ґрунтовими теплообмінниками можуть використовуватися не тільки як джерело, а й як природний акумулятор теплової енергії або «холоду», наприклад тепла сонячної радіації.

Існують системи, які не можна однозначно віднести до відкритих чи замкнутих. Наприклад, одна і та ж глибока (глибиною від 100 до 450 м) свердловина, заповнена водою, може бути як експлуатаційною, так і нагнітальною. Діаметр свердловини зазвичай становить 15 см. нижню частинусвердловини поміщається насос, з якого вода зі свердловини подається до випарників теплового насоса. Зворотна вода повертається у верхню частину водяного стовпа у ту ж свердловину. Відбувається постійне підживлення свердловини ґрунтовими водами, та відкрита системапрацює подібно до замкнутої. Системи такого типу в англомовній літературі звуться «standing column well system» (рис. 8).

Мал. 8. Схема свердловини типу "standing column well"

Зазвичай свердловини такого типу використовуються і для постачання питної води.. Однак така система може працювати ефективно тільки в ґрунтах, які забезпечують постійне підживлення свердловини водою, що запобігає її замерзанню. Якщо водоносний горизонт залягає надто глибоко, для нормального функціонування системи буде потрібний потужний насос, що потребує підвищених витрат енергії. Велика глибина свердловини обумовлює досить високу вартість подібних систем, тому вони не використовуються для тепло- та холодопостачання невеликих будівель. Нині у світі функціонує кілька таких систем у США, Німеччині та Європі.

Один із перспективних напрямів – використання як джерела низькопотенційної теплової енергії води з шахт та тунелів. Температура цієї води є постійною протягом усього року. Вода з шахт та тунелів легко доступна.

«Стійкість» систем використання низькопотенційного тепла Землі

При експлуатації ґрунтового теплообмінника може виникнути ситуація, коли за час опалювального сезону температура ґрунту поблизу ґрунтового теплообмінника знижується, а в літній період ґрунт не встигає прогрітися до початкової температури – відбувається зниження його температурного потенціалу. Споживання енергії протягом наступного опалювального сезону викликає ще більше зниження температури ґрунту, і його температурний потенціал ще більше знижується. Це змушує під час проектування систем використання низькопотенційного тепла Землірозглядати проблему "стійкості" (sustainability) таких систем. Часто енергетичні ресурси для зниження періоду окупності обладнання експлуатуються дуже інтенсивно, що може призвести до їхнього швидкого виснаження. Тому необхідно підтримувати такий рівень виробництва енергії, який би дозволив експлуатувати джерело енергетичних ресурсів. довгий час. Ця здатність систем підтримувати необхідний рівень виробництва теплової енергії довго називається «стійкістю» (sustainability). Для систем використання низькопотенційного тепла Землідано таке визначення стійкості: «Для кожної системи використання низькопотенційного тепла Землі та для кожного режиму роботи цієї системи існує певний максимальний рівень виробництва енергії; виробництво енергії нижче за цей рівень можна підтримувати тривалий час (100–300 років)».

Проведені в ВАТ «ІНСОЛАР-ІНВЕСТ»дослідження показали, що споживання теплової енергії з ґрунтового масиву до кінця опалювального сезону викликає поблизу регістру труб системи теплозбору зниження температури ґрунту, яке в ґрунтово-кліматичних умовах більшої частини території Росії не встигає компенсуватися в літній період року, і до початку наступного опалювального сезону ґрунт виходить із зниженим температурним потенціалом. Споживання теплової енергії протягом наступного опалювального сезону викликає подальше зниження температури ґрунту, і до початку третього опалювального сезону його температурний потенціал ще більше відрізняється від природного. І так далі. Однак опалювальні теплового впливу багаторічної експлуатації системи теплозбору на природний температурний режим ґрунту мають яскраво виражений експоненційний характер, і до п'ятого року експлуатації ґрунт виходить на новий режим, близький до періодичного, тобто, починаючи з п'ятого року експлуатації, багаторічне споживання теплової енергії з ґрунтового масиву Система теплозбору супроводжується періодичними змінами його температури. Таким чином, при проектуванні теплонасосних систем теплопостачанняє необхідним облік падіння температур ґрунтового масиву, викликаного багаторічною експлуатацією системи теплозбору, та використання як розрахункових параметрів температур ґрунтового масиву, очікуваних на 5-й рік експлуатації ТСТ.

У комбінованих системах, що використовуються як для тепло-, так і для холодопостачання, тепловий баланс встановлюється «автоматично»: в зимовий час (потрібне теплопостачання) відбувається охолодження ґрунтового масиву, літній час(Потрібно холодопостачання) - нагрівання грунтового масиву. У системах, що використовують низькопотенційне тепло ґрунтових вод, відбувається постійне поповнення водних запасів за рахунок води, що просочується з поверхні, і води, що надходить з глибших шарів ґрунту. Таким чином, вміст ґрунтових вод збільшується як «зверху» (за рахунок тепла атмосферного повітря), і «знизу» (з допомогою тепла Землі); величина теплонадходжень «згори» і «знизу» залежить від товщини та глибини залягання водоносного шару. За рахунок цих теплонадходжень температура ґрунтових вод залишається постійною протягом усього сезону і мало змінюється в процесі експлуатації.

У системах з вертикальними ґрунтовими теплообмінниками ситуація інша.При відведенні тепла температура ґрунту навколо ґрунтового теплообмінника знижується. На зниження температури впливає як особливості конструкції теплообмінника, і режим його експлуатації. Наприклад, у системах з високими величинами теплової енергії, що відводиться (кілька десятків ват на метр довжини теплообмінника) або в системах з ґрунтовим теплообмінником, розташованим у ґрунті з низькою теплопровідністю (наприклад, у сухому піску або сухому гравії) зниження температури буде особливо помітним і може привести до заморожування ґрунтового масиву навколо ґрунтового теплообмінника.

Німецькі фахівці провели вимірювання температури ґрунтового масиву, в якому влаштований вертикальний ґрунтовий теплообмінник глибиною 50 м, розташований неподалік Франкфурта-на-Майні. Для цього навколо основної свердловини на відстані 2,5, 5 і 10 м було пробурено 9 свердловин тієї ж глибини. У всіх десяти свердловин через кожні 2 м встановлювалися датчики для вимірювання температури - всього 240 датчиків. На рис. 9 наведено схеми, що показують розподіл температур у ґрунтовому масиві навколо вертикального ґрунтового теплообмінника на початку та по закінченні першого опалювального сезону. Наприкінці опалювального сезону добре помітно зменшення температури ґрунтового масиву навколо теплообмінника. Виникає тепловий потік, спрямований до теплообмінника з навколишнього ґрунтового масиву, який частково компенсує зниження температури ґрунту, викликане відбором тепла. Розмір цього потоку проти величиною потоку тепла із земних надр у цій місцевості (80–100 мВт/кв.м) оцінюється досить високо (кілька ватів на квадратний метр).

Мал. 9. Схеми розподілу температур у ґрунтовому масиві навколо вертикального ґрунтового теплообмінника на початку та наприкінці першого опалювального сезону.

Оскільки відносно широке поширення вертикальні теполообмінники стали отримувати приблизно 15–20 років тому, у всьому світі відчувається брак експериментальних даних, отриманих за тривалих (кілька десятків років) термінів експлуатації систем з теплообмінниками такого типу. Виникає питання про стійкість цих систем, про їхню надійність при тривалих термінах експлуатації. Чи є низькопотенційне тепло Землі джерелом енергії, що відновлюється? Який період «відновлення» цього джерела?

При експлуатації сільської школи в Ярославській області, обладнаної теплонасосною системою, що використовує вертикальний ґрунтовий теплообмінник, середні значення питомого теплознімання знаходилися на рівні 120-190 Вт/пог. м довжини теплообмінника.

З 1986 року у Швейцарії неподалік Цюріха проводилися дослідження системи з вертикальними ґрунтовими теплообмінниками. У ґрунтовому масиві було влаштовано вертикальний ґрунтовий теплообмінник коаксіального типу глибиною 105 м. Цей теплообмінник використовувався як джерело низькопотенційної теплової енергії для теплонасосної системи, що встановлена ​​в одноквартирному житловому будинку. Вертикальний ґрунтовий теплообмінник забезпечував пікову потужність приблизно 70 Вт на кожен метр довжини, що створювало значне теплове навантаження на навколишній ґрунтовий масив. Річне виробництво теплової енергії складає близько 13 МВт год

На відстані 0,5 і 1 м від основної свердловини були пробурені дві додаткові, в яких на глибині 1, 2, 5, 10, 20, 35, 50, 65, 85 і 105 м встановлені датчики температури, після чого свердловини були заповнені глинисто-цементною сумішшю. Температура вимірювалася кожні 30 хвилин. Крім температури ґрунту фіксувалися й інші параметри: швидкість руху теплоносія, споживання енергії приводом компресора теплового насоса, температура повітря тощо.

Перший період спостережень тривав із 1986 по 1991 рік. Вимірювання показали, що вплив тепла зовнішнього повітря та сонячної радіації відзначається в поверхневому шарі ґрунту на глибині до 15 м. Нижче цього рівня тепловий режим ґрунту формується головним чином за рахунок тепла земних надр. За перші 2-3 роки експлуатації температура ґрунтового масиву, Що оточує вертикальний теплообмінник, різко знизилася, проте з кожним роком зниження температури зменшувалося, і через кілька років система вийшла на режим, близький до постійного, коли температура ґрунтового масиву навколо теплообмінника стала нижчою за початкову на 1-2 оC.

Восени 1996 року, через десять років після початку експлуатації системи, вимірювання було відновлено. Ці вимірювання показали, що температура ґрунту істотно не змінилася. У наступні роки було зафіксовано незначні коливання температури ґрунту в межах 0,5 градусів C залежно від щорічного опалювального навантаження. Таким чином, система вийшла на квазістаціонарний режим після перших кількох років експлуатації.

На основі експериментальних даних були побудовані математичні моделі процесів, що проходять у ґрунтовому масиві, що дозволило зробити довгостроковий прогноз зміни температури ґрунтового масиву.

Математичне моделювання показало, що щорічне зниження температури буде поступово зменшуватися, а обсяг ґрунтового масиву навколо теплообмінника, схильного до зниження температури, з кожним роком буде збільшуватися. Після закінчення періоду експлуатації починається процес регенерації: температура ґрунту починає підвищуватися. Характер протікання процесу регенерації подібний до характеру процесу «відбору» тепла: у роки експлуатації відбувається різке підвищення температури грунту, а наступні роки швидкість підвищення температури зменшується. Тривалість періоду "регенерації" залежить від тривалості періоду експлуатації. Ці два періоди приблизно однакові. У цьому випадку період експлуатації ґрунтового теплообмінника дорівнював тридцяти років, і період «регенерації» також оцінюється в тридцять років.

Таким чином, системи тепло- та холодопостачання будівель, що використовують низькопотенційне тепло Землі, є надійним джерелом енергії, яке може бути використане повсюдно. Це джерело може використовуватися протягом тривалого часу, і може бути відновлено після закінчення періоду експлуатації.

Література

1. Rybach L. Status and prospects of geothermal heat pumps (GHP) in Europe and worldwide; стійкість аспектів GHP. International course of geothermal heat pumps, 2002

2. Васильєв Г.П., Крундишев Н.С. Енергоефективна сільська школа у Ярославській області. АВОК №5, 2002

3. Sanner B. Ground Heat Sources для Heat Pumps (classification, characteristics, advantages). 2002

4. Rybach L. Status and prospects of geothermal heat pumps (GHP) in Europe and worldwide; стійкість аспектів GHP. International course of geothermal heat pumps, 2002

5. ORKUSTOFNUN Working Group, Iceland (2001). IGA News no. 43, January-March 2001, 1-2

6. Rybach L., Sanner B. Ground-source heat pump systems – the European experience. GeoHeat-Center Bull. 21/1, 2000

7. Забезпечення енергопостачання з Residential Heat Pumps in Cold Climates. Maxi Brochure 08. CADDET, 1997

8. Atkinson Schaefer L. Single Pressure Absorption Heat Pump Analysis. A Dissertation Presented to The Academic Faculty. Georgia Institute of Technology, 2000

9. Morley T. Reversed heat engine as means of heating buildings, The Engineer 133: 1922

10. Fearon J. Історія та розробка ферм, рефрижерації та кондиціювання. 1978

11. Васильєв Г.П. Енергоефективні будинки з теплонасосними системами теплопостачання. Журнал «ЖКГ», №12, 2002

12. Посібник із застосування теплових насосів з використанням вторинних енергетичних ресурсів та нетрадиційних відновлюваних джерел енергії. Москомархітектура. ДУП «НІАЦ», 2001

13. Енергоефективний житловий будинок у Москві. АВОК №4, 1999 р.

14. Васильєв Г.П. Енергоефективний експериментальний житловий будинок у мікрорайоні Нікуліно-2. АВОК №4, 2002

Тут опубліковано динаміку зміни зимових (2012-13р.р.) температур землі на глибині 130 сантиметрів під будинком (під внутрішнім краєм фундаменту), а також - на рівні землі та температури води, що йде зі свердловини. Все це - на стояку, що йде зі свердловини.
Графік – внизу статті.
Дача (на межі Нової Москви та Калузької області) зимова, періодичного відвідування (2-4 рази на місяць по парі днів).
Вимощення і цоколь будинку - не утеплені, ще з осені закриті теплоізолюючими затичками (10см піни). Тепловтрати веранди, куди виходить стояк, у січні змінилися. Див. Примітку 10.
Вимірювання на глибині 130см виробляються системою Кситал GSM(), дискрет – 0,5*С, дод. похибка – близько 0,3*С.
Датчик встановлений у завареній знизу 20мм трубці з ПНД біля стояка (із зовнішньої сторони теплоізоляції стояка, але всередині 110мм труби).
По осі абсцис – дати, по осі ординат – температури.
Примітка 1:
Температуру води в свердловині, а також - на рівні землі під будинком, прямо на стояку без води теж відстежуватиму, але тільки після приїзду. Похибка – близько +-0,6*С.
Примітка 2:
Температура на рівні земліпід будинком, біля стояка водопроводу опускалася без людей і води вже до мінус 5*С. Це говорить про те, що я не дарма зробив систему - До речі, термостат, що показав -5 * С - саме від цієї системи (RT-12-16).
Примітка 3:
Температура води "в свердловині" вимірюється тим же датчиком (він же - в Примітці 2), що і "на рівні землі" - він стоїть прямо на стояку під теплоізоляцією, впритул до стояка на рівні землі. Ці два виміри виробляються у різні моменти часу. "На рівні землі" - до закачування води в стояк і "в свердловині" - після прокачування приблизно 50 літрів протягом півгодини з перервами.
Примітка 4:
Температура води у свердловині може бути занижена, т.к. я не можу шукати цю довбали асимптоту, нескінченно хитаючи воду (моя) ... Як вмію - так граю.
Примітка 5: Не актуально.
Примітка 6:
Похибка фіксації вуличної температури приблизно +-(3-7)*С.
Примітка 7:
Швидкість охолодження води на рівні землі (без включення насоса) дуже приблизно 1-2 * С на годину (це - при мінус 5 * С на рівні землі).
Примітка 8:
Забув описати, як у мене влаштований та утеплений підземний стояк. На ПНД-32 надіто два панчохи утеплювача в сумі - 2см. товщини (мабуть, спінений поліетилен), все це вставлено в 110мм каналізаційну трубуі там запінено до глибини 130см. Правда, оскільки ПНД-32 йшла не по центру 110-ої труби, а також те, що в своїй середині маса звичайної піни може довго не застигати, а значить - не перетворюватися на утеплювач, то як таке додаткове утеплення я сильно сумніваюся. .Напевно, було б краще використовувати двокомпонентну піну, про існування якої я дізнався тільки пізніше.
Примітка 9:
Хочу звернути увагу читачів на вимірювання температури "На рівні землі" від 12.01.2013р. та від 18.01.2013р. Тут, на мою думку, величина +0,3*С помітно вище очікуваної. Думаю, що це – наслідок операції "Засипання снігом цоколя біля стояка", проведене 31.12.2012р.
Примітка 10:
З 12 січня до 3 лютого зробив додаткове утеплення веранди, куди виходить підземний стояк.
В результаті за приблизними втратами втрати веранди були знижені зі 100 Вт/кв.м. підлоги приблизно до 50 (це - при мінус 20 * С на вулиці).
Позначилося це і на графіках. температуру на рівні землі 9 лютого: +1,4*С та 16 лютого: +1,1 - таких високих температур ще не було з початку реальної зими.
І ще: з 4 по 16 лютого вперше за дві зими з неділі по п'ятницю котел не вмикався для підтримки встановленого мінімуму температури тому, що вона не дійшла до цього мінімуму.
Примітка 11:
Як і обіцяв (для "порядку" і для завершення річного циклу) періодично публікуватиму температури влітку. Але - не у графіку, щоб зиму не "затіняти", а тут, у Примітці-11.
11 травня 2013р.
Продухи після 3-х тижнів провітрювання закрив до осені, щоб уникнути відкладення конденсату.
13 травня 2013р.(На вулиці вже тиждень +25-30 * С):
- під будинком на рівні землі +10,5 * С,
- Під будинком на глибині 130см. +6 * С,

12 червня 2013р.:
- під будинком на рівні землі +14,5 * С,
- Під будинком на глибині 130см. +10*С.
- вода у свердловині з глибини 25м не вище +8*С.
26 червня 2013р.:
- під будинком на рівні землі +16 * С,
- Під будинком на глибині 130см. +11*С.
- вода у свердловині з глибини 25м не вище +9,3*С.
19 серпня 2013 р.:
- під будинком на рівні землі +15,5 * С,
- Під будинком на глибині 130см. +13,5 *С.
- вода у свердловині з глибини 25м не вище +9,0*С.
28 вересня 2013 р.:
- під будинком на рівні землі +10,3 * С,
- Під будинком на глибині 130см. +12*С.
- вода у свердловині з глибини 25м = +8,0*С.
26 жовтня 2013р.:
- під будинком на рівні землі +8,5 * С,
- Під будинком на глибині 130см. +9,5*С.
- вода у свердловині з глибини 25м не вище +7,5*С.
16 листопада 2013р.:
- під будинком на рівні землі +7,5 * С,
- Під будинком на глибині 130см. +9,0*С.
- вода у свердловині з глибини 25м +7,5*С.
20 лютого 2014 р.:
Напевно, це останній запис у цій статті.
Усю зиму живемо в будинку постійно, сенс у повторенні торішніх вимірів – невеликий, тому лише дві суттєві цифри:
- мінімальна температура під будинком на рівні землі в морози (-20 - -30 * С) через тиждень після їх початку неодноразово опускалася нижче +0,5 * С. У ці моменти у мене спрацьовувала

Це могло б здатися фантастикою, якби не було правдою. Виявляється, у суворих сибірських умовах можна отримувати тепло прямо із землі. Перші об'єкти з геотермальними системами опалення з'явилися в Томській області минулого року, і хоча вони дозволяють знизити собівартість тепла в порівнянні з традиційними джерелами приблизно в чотири рази, масового ходіння «під землю» поки що немає. Але тренд помітний і головне – набирає обертів. По суті, це найбільш доступне альтернативне джерело енергії для Сибіру, ​​де не завжди можуть показати свою ефективність, наприклад, сонячні батареїчи вітряні генератори. Геотермальна енергія просто лежить у нас під ногами.

«Глибина промерзання ґрунту становить 2–2,5 метри. Температура землі нижче цієї позначки залишається однаковою і взимку та влітку в діапазоні від плюс одного до плюс п'яти градусів Цельсія. Робота теплового насоса побудована на цій властивості, – каже енергетик управління освіти адміністрації Томського району. Роман Олексієнко. - У земляний контур на глибину 2,5 метра закопують труби, що сполучаються, на відстані приблизно півтора метра один від одного. У системі труб циркулює теплоносій – етиленгліколь. Зовнішній горизонтальний земляний контур повідомляється з холодильною установкою, в якій циркулює холодоагент - фреон, газ із низькою температурою кипіння. При плюс трьох градусах Цельсія цей газ починає закипати, і коли компресор різко стискає киплячий газ температура останнього зростає до плюс 50 градусів Цельсія. Нагрітий газ іде теплообмінник, у якому циркулює звичайна дистильована вода. Рідина нагрівається і розносить тепло по всій системі опалення, покладеної в підлозі».

Чиста фізика та жодних чудес

Дитячий садок, обладнаний сучасною датською системою геотермального опалення, відкрився в селищі Турунтаєве під Томськом влітку минулого року. За словами директора томської компанії «Екоклімат» Георгія Граніна, Енергоефективна система дозволила в кілька разів знизити плату за теплопостачання. За вісім років це томське підприємство вже оснастило геотермальними системами опалення близько двохсот об'єктів у різних регіонах Росії і продовжує займатися цим у Томській області. Тож у словах Граніна сумніватися не доводиться. За рік до відкриття садка в Турунтаєво «Екоклімат» обладнав системою геотермального опалення, яка коштувала 13 млн рублів, ще один дитячий садок«Сонячний зайчик» у Томському мікрорайоні «Зелені гірки». По суті, це був перший досвід такого роду. І він виявився цілком успішним.

Ще в 2012 році під час візиту до Данії, організованого за програмою Євро Інфо Кореспондентського Центру (ЄІКЦ-Томська область), компанії вдалося домовитися про співпрацю з датською компанією Danfoss. А сьогодні данське обладнання допомагає видобувати тепло з томських надр, і, як кажуть без зайвої скромності фахівці, виходить досить ефективно. Основний показник ефективності – економічність. «Опалювальна система будівлі дитячого садка площею 250 квадратних метрів у Турунтаєвому обійшлася в 1,9 мільйона рублів, – каже Гранін. – А плата за опалення становить 20–25 тисяч рублів на рік». Ця сума неспівставна з тією, яку садок платив би за тепло, використовуючи традиційні джерела.

Система без проблем пропрацювала за умов сибірської зими. Було здійснено розрахунок відповідності теплового обладнання нормам СанПіН, за якими воно повинно підтримувати в будівлі дитячого садка температуру не нижче +19°C за температури зовнішнього повітря -40°C. Усього на перепланування, ремонт та переобладнання будівлі було витрачено близько чотирьох мільйонів рублів. Разом із тепловим насосом сума становила трохи менше шести мільйонів. Завдяки тепловим насосам сьогодні опалення дитячого садка є повністю ізольованою та незалежною системою. У будівлі тепер немає традиційних батарей, а опалення приміщення реалізується за допомогою системи «тепла підлога».

Турунтаєвський садок утеплений, що називається, «від» і «до» - у будівлі облаштовано додаткову теплоізоляцію: поверх існуючої стіни (товщиною в три цеглини) встановлено 10-сантиметровий шар утеплювача, еквівалентний двом-трьом цеглам. За утеплювачем знаходиться повітряний прошарок, а потім - металевий сайдинг. Так само утеплений і дах. Основна увага будівельників зосередилася на «теплій підлозі» – системі опалення будівлі. Вийшло кілька шарів: бетонна підлога, шар пінопласту завтовшки 50 мм, система труб, у яких циркулює гаряча вода та лінолеум. Незважаючи на те, що температура води в теплообміннику може досягати +50°C, максимальне нагрівання фактичного покриття не перевищує +30°C. Фактична температура кожної кімнати може регулюватися вручну - автоматичні датчики дозволяють встановлювати температуру підлоги таким чином, щоб приміщення дитячого садка прогрівалося до належних санітарними нормамиградусів.

Потужність насоса в Турунтаєвському садку становить 40 кВт теплової енергії, що виробляється, для виробництва яких тепловому насосу потрібно 10 кВт електричної потужності. Таким чином, з 1 кВт споживаної електричної енергіїтепловий насос виробляє 4 кВт тепловий. «Ми трохи боялися зими – не знали, як поведуться теплові насоси. Але навіть у сильні морози у садочку було стабільно тепло – від плюс 18 до 23 градусів Цельсія, – каже директор Турунтаєвської. середньої школи Євген Білоногов. - Звичайно, тут варто врахувати, що і сама будівля була добре утеплена. Обладнання невибагливо в обслуговуванні, і незважаючи на те, що це розробка західна, у наших суворих сибірських умовах вона показала себе досить ефективно.

Комплексний проект з обміну досвідом у сфері ресурсозбереження було реалізовано ЄІКЦ-Томська область Томської ТПП. Його учасниками стали малі та середні підприємства, які розробляють та впроваджують ресурсозберігаючі технології. У травні минулого року в рамках російсько-датського проекту Томськ відвідали данські експерти, і результат вийшов, як то кажуть, очевидним.

Інновації приходять до школи

Нова школа у селі Вершинине Томського району, збудована фермером Михайлом Колпаковим, - це третій об'єкт в області, яка використовує як джерело тепла для опалення та гарячого водопостачання тепло землі. Школа унікальна ще й тому, що має найвищу категорію енергоефективності – «А». Систему опалення спроектувала і запустила та сама компанія «Екоклімат».

«Коли ми приймали рішення, яке опалення зробити у школі, у нас було кілька варіантів – вугільна котельня та теплові насоси, – каже Михайло Колпаков. - Ми вивчили досвід енергоефективного дитячого садка в Зелених Гірках і вважали, що опалення по-старому, на вугіллі, нам обійдеться більш ніж 1,2 мільйона рублів за зиму, та ще й гаряча вода потрібна. А з тепловими насосами витрати становитимуть близько 170 тисяч за весь рік, разом із гарячою водою».

Для виробництва тепла системі потрібна лише електрика. Споживаючи 1 кВт електроенергії, теплові насоси у шкільництві виробляють близько 7 кВт теплової енергії. Крім того, на відміну від вугілля і газу, тепло землі - джерело енергії, що самовідновлюється. Встановлення сучасної опалювальної системи школі коштувало приблизно 10 млн рублів. Для цього на території школи пробурили 28 свердловин.

«Арифметика тут проста. Ми вважали, що обслуговування вугільної котельні, з урахуванням зарплати опалювачу та вартості палива, на рік коштуватиме більш ніж мільйон рублів, - зазначає начальник управління освіти. Сергій Єфімов. – При використанні теплових насосів доведеться платити за всі ресурси близько п'ятнадцяти тисяч рублів на місяць. Безперечні плюси використання теплових насосів - це їх економічність та екологічність. Система теплопостачання дозволяє регулювати подачу тепла залежно від погоди на вулиці, що унеможливлює так звані «недотопи» або «перетопи» приміщення».

За попередніми розрахунками, дороге данське обладнання окупить себе за чотири-п'ять років. Термін служби теплових насосів компанії Danfoss, з якими працює ТОВ «Екоклімат», – 50 років. Отримуючи інформацію про температуру повітря на вулиці, комп'ютер визначає коли гріти школу, а коли можна цього не робити. Тому питання про дату включення та відключення опалення відпадає взагалі. Незалежно від погоди за вікнами всередині школи завжди буде працювати клімат-контроль.

«Коли минулого року на загальноросійську нараду приїхав надзвичайний та повноважний посол королівства Данії та відвідав наш дитячий садок у «Зелених Гірках», він був приємно здивований, що ті технології, які навіть у Копенгагені вважаються інноваційними, застосовані та працюють у Томській області, - каже комерційний директоркомпанії «Екоклімат» Олександр Гранін.

Загалом використання місцевих відновлюваних джерел енергії в різних галузях економіки, в даному випадку в соціальній сфері, куди відносяться школи та дитячі садки, - один із основних напрямків, що реалізуються в регіоні в рамках програми з енергозбереження та підвищення енергетичної ефективності. Розвиток відновлюваної енергетики активно підтримує губернатор регіону Сергій Жвачкін. І три бюджетні установи із системою геотермального опалення – лише перші кроки щодо реалізації великого та перспективного проекту.

Дитячий садок у «Зелених Гірках» на конкурсі у Сколковому був визнаний найкращим енергоефективним об'єктом Росії. Потім з'явилася Вершининська школа з геотермальним опаленням також найвищої категорії енергоефективності. Наступний об'єкт, не менш значущий для Томського району, – дитячий садок у Турунтаєвому. Нинішнього року компанії «Газхімбудінвест» та «Стройгарант» вже розпочали будівництво дитячих садків на 80 та 60 місць у селищах Томського району Копилово та Кандинці відповідно. Обидва нові об'єкти опалюватимуться геотермальними системами опалення - від теплових насосів. Загалом цього року на будівництво нових садків та ремонт існуючих районна адміністрація має намір витратити майже 205 млн рублів. Має бути реконструкція та переобладнання будівлі під дитячий садок у селі Тахтамишеве. У цьому будинку опалення також буде реалізовано за допомогою теплових насосів, оскільки система встигла добре зарекомендувати себе.

Зміна температури із глибиною. Земна поверхня через нерівномірне надходження сонячного тепла то нагрівається, то охолоджується. Ці коливання температури проникають у товщину Землі дуже неглибоко. Так, добові коливання на глибині 1 мзазвичай майже не відчуваються. Що ж до річних коливань, то вони проникають на різну глибину: в теплих країнахна 10-15 м,а в країнах з холодною зимоюі спекотного літа до 25-30 і навіть 40 м.Глибше 30-40 мвже всюди Землі температура тримається незмінною. Наприклад, термометр, поставлений у підвалі Паризької обсерваторії, протягом понад 100 років показує 11°,85С.

Шар з постійною температурою спостерігається на всій земній кулі і зветься поясом постійної або нейтральної температури. Глибина залягання цього поясу в залежності від кліматичних умов різна, а температура дорівнює приблизно середній річній температурі цього місця.

При поглибленні на Землю нижче шару постійної температури зазвичай спостерігається поступове підвищення температури. Вперше це було помічено робітниками глибоких копалень. Помічалося це і під час прокладання тунелів. Так, наприклад, при прокладанні Сімплонського тунелю (в Альпах) температура підвищувалася до 60 °, що створювало чималі труднощі в роботі. Ще більш високі температури спостерігаються у глибоких свердловинах. Прикладом може бути Чуховська свердловина (Верхня Сілезія), у якій глибині 2220 мтемпература була понад 80 ° (83 °, 1) і т. д. На підставі дуже багатьох спостережень, проведених в різних місцях Землі, вдалося встановити, що в середньому при поглибленні на кожні 33 мтемпература збільшується на 1°С.

Число метрів, на яке потрібно заглибитись у Землю, щоб температура зросла на 1°С, називають геотермічно ступенем.Геотермічний ступінь у різних випадках неоднаковий і найчастіше він коливається від 30 до 35 м.У деяких випадках ці коливання можуть бути й вищими. Наприклад, у штаті Мічиган (США), в одній із свердловин, розташованих поблизу оз. Мічиган, геотермічний ступінь виявився не 33, а 70м.Навпаки, дуже малий геотермічний ступінь спостерігався в одній із свердловин Мексики, Там на глибині 670 мз'явилася вода з температурою 70°. Таким чином, геотермічний ступінь виявився всього близько 12 м.Малі геотермічні щаблі спостерігаються також у вулканічних областях, де на невеликих глибинах можуть бути ще не охололі товщі вивержених порід. Але всі подібні випадки є не так правилами, як винятками.

Причин, що впливають на геотермічний ступінь, багато. (Крім наведених вище, можна вказати на різну теплопровідність гірських порід, характер залягання пластів та ін.

Велике значення у розподілі температур має рельєф місцевості. Останнє добре можна помітити на прикладеному кресленні (рис. 23), що зображує розріз Альп по лінії Симплонського тунелю, з пунктиром геоізотермами (тобто лініями однакових температур всередині Землі). Геоізотерми тут ніби повторюють рельєф, але з глибиною вплив рельєфу поступово зменшується. (Сильний вигин геоізотерм вниз у Баллі обумовлюється сильною циркуляцією вод, що спостерігається тут.)

Температура землі на великих глибинах. Спостереження над температурами у свердловинах, глибина яких рідко перевищує 2-3 км,Звісно, ​​що неспроможні дати ставлення до температурах глибших шарів Землі. Але тут нам на допомогу приходять деякі явища із життя земної кори. До таких явищ належить вулканізм. Вулкани, поширені по земної поверхні, Виносять на поверхню Землі розплавлені лави, температура яких понад 1000 °. Отже, на високих глибинах ми маємо температури, що перевищують 1000°.

Був час, коли вчені на підставі геотермічного ступеня намагалися обчислити ту глибину, на якій могли бути такі високі температури, як 1000-2000 °. Проте такі обчислення не можна вважати досить обґрунтованими. Спостереження, що проводилися над температурою базальтової кулі, що остигає, і теоретичні розрахунки дають підставу говорити, що величина геотермічної щаблі з глибиною збільшується. Але в яких межах і до якої глибини йде подібне збільшення, ми також поки що сказати не можемо.

Якщо припустити, що температура з глибиною зростає безперервно, то в центрі Землі вона має вимірюватися десятками тисяч градусів. За таких температур всі відомі нам гірські породи повинні перейти в рідкий стан. Щоправда, всередині Землі величезний тиск, і ми нічого не знаємо про стан тіл за подібних тисків. Тим не менш, у нас немає жодних даних стверджувати, що температура з глибиною безперервно зростає. Зараз більшість геофізиків приходить до висновку про те, що температура всередині Землі навряд чи може бути більшою за 2000°.

Джерела тепла. Що ж до джерел тепла, що зумовлюють внутрішню температуру Землі, всі вони можуть бути різні. Виходячи з гіпотез, які вважають Землю масою, що утворилася з розпеченої і розплавленої, внутрішнє тепло потрібно вважати залишковим теплом тіла, що стигає з поверхні. Однак є підстави вважати, що причиною внутрішньої високої температури Землі може бути радіоактивний розпад урану, торію, актиноурану, калію та інших елементів, що містяться в гірських породах. Радіоактивні елементи переважно поширені в кислих породах поверхневої оболонки Землі, менше їх зустрічається в глибинних основних породах. У той же час основні породи багатші на них, ніж залізні метеорити, які вважаються уламками внутрішніх частин космічних тіл.

Незважаючи на невелику кількість радіоактивних речовин у гірських породах та повільний їхній розпад, загальна кількість тепла, що виходить за рахунок радіоактивного розпаду, велика. Радянський геолог В. Г. Хлопінпідрахував, що радіоактивних елементів, що містяться у верхній 90-кілометровій оболонці Землі, достатньо, щоб покрити втрату тепла планети шляхом променевипускання. Поряд з радіоактивним розпадом теплова енергія виділяється при стисканні речовини Землі, при хімічних реакціяхі т.п.

- Джерело-

Половінкін, А.А. Основи загального землезнавства/А.А. - М.: Державне навчально-педагогічне видавництво міністерства освіти РРФСР, 1958. - 482 с.

Post Views: 179