Kategórie

Týždenné Aktuality

1 Palivo
Úkon hydraulického testovania vykurovacieho systému - výsledok lisovacích operácií
2 Radiátory
Aké sú radiátory v podlahe a na čo sa sústrediť pri ich výbere
3 Kotly
Izolajte stenu v byte zvnútra - materiály a postupnosť práce
4 Krby
Ako nainštalovať plynový kotol v byte
Hlavná / Kotly

Tepelná energia Zeme je základom budúceho energetického systému


dts NA Gnus, profesor,
Akademik ruskej akadémie technologických vied, Moskva

V posledných desaťročiach svet zvažuje smer efektívnejšieho využitia energie hlbokého tepla Zeme na čiastočnú náhradu zemného plynu, ropy a uhlia. To bude možné nielen v oblastiach s vysokými geotermálnymi parametrami, ale aj vo všetkých oblastiach zemeguľa pri vŕtaní injekčných a výrobných vrtov a vytváraní cirkulačných systémov medzi nimi.

Zvýšený záujem o alternatívne zdroje energie na svete v posledných desaťročiach je dôsledkom vyčerpania zásob uhľovodíkových palív a potreby riešiť celý rad environmentálnych problémov. Objektívne faktory (rezervy fosílnych palív a uránu, ako aj zmeny v prostredí spôsobené tradičným požiarom a jadrovou energiou) naznačujú, že prechod na nové spôsoby a formy výroby energie je nevyhnutný.

Svetové hospodárstvo v súčasnosti smeruje k prechodu na racionálnu kombináciu tradičných a nových zdrojov energie. Teplo Zeme je medzi nimi jedno z prvých miest.

Geotermálne zdroje energie sú rozdelené na hydrogeologické a petrogeotermické. Prvým z nich sú chladiace kvapaliny (tvoria len 1% z celkových zdrojov geotermálnej energie) - zmesi podzemných vôd, pary a pary a vody. Druhá z nich je geotermálna energia obsiahnutá v horúcich horách.

Technológia fontán, používaná v našej krajine i v zahraničí (samovybíjanie) ťažby prírodných parných a geotermálnych vôd je jednoduchá, ale neefektívna. S malou prietokovou rýchlosťou samonivelujúcich vrtov môže ich výroba tepla kompenzovať náklady na vŕtanie len s malou hĺbkou geotermálnych nádrží s vysokou teplotou v oblastiach tepelných anomálií. Životnosť týchto studní v mnohých krajinách nedosahuje ani 10 rokov.

Skúsenosti zároveň potvrdzujú, že výstavba geotermálnej elektrárne je v prítomnosti plytkých zásobníkov prírodnej pary najvýhodnejšou možnosťou využitia geotermálnej energie. Prevádzkovanie takýchto geotermálnych elektrární ukázalo svoju konkurencieschopnosť v porovnaní s inými typmi elektrární. Preto sa použitie rezerv geotermálnou vodou a parou hydrotherms v našej krajine na polostrove Kamčatka a Kurilské ostrovy, v Severnom Kaukaze, rovnako ako je to možné v iných oblastiach vhodným spôsobom a včas. Zásoby pary sú však zriedkavé, ich známe a predpokladané rezervy sú malé. Oveľa viac obyčajných ložísk tepelných energetických vôd zďaleka nie je vždy dostatočne blízko k spotrebiteľovi, zariadenie na zásobovanie teplom. Tým sa eliminuje možnosť veľkého rozsahu ich efektívneho využitia.

Často sa problém zvládania škálovania stáva ťažkým problémom. Použitie geotermálnych, spravidla mineralizovaných zdrojov ako chladiacej kvapaliny vedie k nadmernému zrážaniu zón s obsahom oxidov železa, uhličitanu vápenatého a kremičitanov. Okrem toho problémy s eróziou - korózia a škálovanie nepriaznivo ovplyvňujú prevádzku zariadenia. Problémom sa stáva aj vypúšťanie mineralizovaných a odpadových vôd obsahujúcich toxické nečistoty. Preto najjednoduchšia technológia fontány nemôže slúžiť ako základ rozsiahleho rozvoja geotermálnych zdrojov.

Podľa predbežných odhadov v rezervách Ruskej federácie predpovede termálna voda s teplotou 40-250 ° C, mineralizácia 35-200 g / l a v hĺbke až 3000 m 21 do 22.000.000 m3 / deň., Ktorý je ekvivalentná spaľovanie 30-40 miliónov ton T.. za rok.

Predpoveď zásoby zmesi pary a vzduchu s teplotou 150 až 250 ° C na Kamčatskom polostrove a na Kurilových ostrovoch je 500 tisíc m3 / deň. a rezervy termálnych vôd s teplotou 40-100 ° C - 150 tisíc m3 / deň.

Prioritou rozvoja sú rezervy termálnych vôd s prietokom okolo 8 miliónov m3 / deň s mineralizáciou do 10 g / l a teplotou nad 50 ° C.

Dôležitejšie pre energiu budúcnosti je ťažba tepelnej energie, prakticky nevyčerpateľných, petrogeotermických zdrojov. Táto geotermálna energia, uzavretá v pevných horúcich horách, predstavuje 99% celkových zdrojov podzemnej tepelnej energie. V hĺbke až 4-6 km polí pri teplote 300-400 ° C, je možné nájsť iba u medziproduktov komôr Niektoré erupcie, ale horúce kamene s 100-150 teploty OC v týchto hĺbkach distribuovaných takmer všade a teplote 180-200 ° C počas pomerne značné časti územie Ruska.

Počas miliárd rokov jadrové, gravitačné a iné procesy vo vnútri Zeme generovali a generovali tepelnú energiu. Časť jeho frakcie je vyžarovaná do vonkajšieho priestoru a teplo sa nahromadzuje v hĺbkach, t.j. Tepelný obsah pevnej, kvapalnej a plynnej fázy pozemskej látky sa nazýva geotermálna energia.

Neustále generovanie vnútorného tepla zo zeme kompenzuje jeho vonkajšie straty, slúži ako zdroj akumulácie geotermálnej energie a určuje obnoviteľnú časť svojich zdrojov. Celkové odstránenie podzemného tepla na zemskom povrchu je trikrát vyššie ako súčasná kapacita elektrární na svete a odhaduje sa na 30 TW.

Je však zrejmé, že obnoviteľnosť je dôležitá len pre obmedzené prírodné zdroje a celkový potenciál geotermálnej energie je prakticky nevyčerpateľný, pretože by mal byť definovaný ako celkové množstvo tepla, ktoré má Zem.

Nie je náhodou, že v posledných desaťročiach svet zvažuje smer efektívnejšieho využitia energie hlbokej teplo Zeme s cieľom čiastočnej náhrady zemného plynu, ropy a uhlia. To bude možné nielen v oblastiach s vysokými geotermálnymi parametrami, ale aj vo všetkých oblastiach zemeguľa pri vŕtaní injekčných a výrobných vrtov a vytváraní cirkulačných systémov medzi nimi.

Samozrejme, s nízkou tepelnou vodivosťou horniny, pre efektívnu prevádzku cirkulačných systémov je nevyhnutné mať alebo vytvoriť dostatočne rozvinutú tepelnú výmennú plochu v zóne tepelnej ťažby. Takýto povrch sa často stretávame vo vyššie uvedených hĺbok poréznych útvarov a zón odpor prírodné trhliny, priepustnosť, čo umožňuje usporiadať nútenej filtrovanie chladiacej kvapaliny s účinnou extrakciu horninového energie a umelo vytvára veľký teplovýmennou plochou v priepustnom spôsobe nízkej porézny pole štiepenie (viď obr.).

V súčasnosti sa hydraulické štiepenie používa v ropnom a plynárenskom priemysle ako spôsob, ako zvýšiť priepustnosť nádrží, aby sa zlepšila ťažba ropy pri vývoji ropných polí. Moderná technológia umožňuje vytvoriť úzku, ale dlhú trhlinu, alebo krátku, ale širokú. Existujú príklady hydraulických zlomenín s prasklinami do 2-3 km.

Domácnosť základná myšlienka získavania geotermálnych zdrojov uzavreté v hard rocku, bolo navrhnuté už v roku 1914 g. KETsiolkovsky a v roku 1920 g. Geotermálna obehovej sústavy (GCS) v horúcom žuly poli popísané VA Obruchev.

V roku 1963 v Paríži bol vytvorený prvý GCC na získavanie tepla z pórovitých skalných útvarov pre vykurovanie a klimatizáciu v priestoroch komplexu Brodkastin Chaos. V roku 1985 pôsobilo vo Francúzsku 64 GCC s celkovou tepelnou kapacitou 450 MW s ročnou úsporou asi 150 tisíc ton ropy. V tom istom roku bol prvý taký GSS založený v ZSSR v údolí Khankala pri meste Grozny.

V roku 1977 začali testy experimentálneho GCC s zlomom takmer nepreniknuteľného masívu v sekcii Fenton Hill v štáte Nové Mexiko v rámci projektu Národného laboratória USA Los Alamos. Studená čerstvá voda vstreknutá do studne (vstrekovanie) bola zahrievaná výmenou tepla s radom hornín (185 OC) vo vertikálnej zlomenine 8 000 m2 vytvorenej hydraulickou expanziou v hĺbke 2,7 km. V ďalšej jamke (prevádzkovej), ktorá taktiež prekračuje túto zlomeninu, prehriata voda sa objavila na povrchu vo forme prúdu pary. Pri cirkulácii v uzavretom okruhu pod tlakom dosiahla teplota prehriatej vody na povrchu 160-180 ° C a tepelná kapacita systému bola 4 až 5 MW. Únik chladiacej kvapaliny do okolitej hmoty bol okolo 1% celkového toku. Koncentrácia mechanických a chemických nečistôt (do 0,2 g / l) zodpovedala štandardom čerstvej pitnej vody. Zlomenina nevyžadovala pripevnenie a bola udržiavaná otvorená hydrostatickým tlakom tekutiny. Voľná ​​konvekcia, ktorá sa v ňom vyvíja, zaistila efektívnu účasť na výmene tepla prakticky celého povrchu vrcholu hornej horniny.

Odstránenie podzemné tepelnej energie horúceho nepriepustné horniny, založený na rozvinutý a praktizované v ropnom priemysle smerové vŕtanie techniky a štiepenie nespôsobí seizmickej aktivity alebo akékoľvek iné škodlivé vplyvy na životné prostredie.

V roku 1983 britskí vedci opakovali americkú skúsenosť a vytvorili experimentálny GCC s rozpadom granitu v Carnwell. Podobné práce boli vykonané v Nemecku, vo Švédsku. V USA bolo realizovaných viac ako 224 projektov geotermálneho zásobovania teplom. V tomto prípade sa predpokladá, že geotermálne zdroje môžu poskytnúť prevažnú časť perspektívnych amerických tepelných energetických potrieb pre neelektrické potreby. V Japonsku kapacita geotermálnej elektrárne dosiahla v roku 2000 približne 50 GW.

V súčasnosti sa skúmajú a skúmajú geotermálne zdroje v 65 krajinách. Vo svete boli na základe geotermálnej energie vytvorené stanice s celkovou kapacitou približne 10 GW. Aktívna podpora rozvoja geotermálnej energie má OSN.

Skúsenosti získané pri využívaní geotermálnych kvapalín nahromadených v mnohých krajinách sveta ukazujú, že za priaznivých podmienok sa stávajú 2-5 krát výhodnejšími ako tepelné a jadrové elektrárne. Výpočty ukazujú, že za rok môže geotermálna studňa poskytnúť náhradu 158 tisíc ton uhlia.

To znamená, že teplo Zeme je možno jediným veľkým zdrojom energie z obnoviteľných zdrojov, racionálny rozvoj ktorého sľubuje lacnejšiu energiu v porovnaní s modernou palivovou energiou. S rovnako nevyčerpateľným energetickým potenciálom budú bohužiaľ solárne a termonukleárne zariadenia drahšie ako existujúce palivové zariadenia.

Napriek veľmi dlhej histórii zvládnutia tepla zeme dnes geotermálna technológia nedosiahla svoj vysoký vývoj. Vývoj tepelnej energie Zeme zažíva veľké ťažkosti pri konštrukcii hlbokých studní, ktoré sú kanálom na privádzanie chladiacej kvapaliny na povrch. Vzhľadom na vysokú teplotu v spodnej časti (200-250 ° C) sú tradičné nástroje na rezanie hornín nevhodné pre prácu v takýchto podmienkach, existujú špeciálne požiadavky na výber rúr pre vŕtanie a obloženie, cementové malty, technológia vŕtania, upevnenie a dokončenie studní. Domáce meracie prístroje, sériové prevádzkové ventily a zariadenia sa vyrábajú vo verzii, ktorá umožňuje teploty do 150-200 ° C. Tradičné hlboké mechanické vŕtanie často trvá roky, kým sa dokončí a vyžaduje značné finančné výdavky. V hlavných výrobných prostriedkoch sa náklady na studne pohybujú od 70 do 90%. Tento problém môže a mal by byť vyriešený len vytvorením progresívnej technológie na rozvoj hlavnej časti geotermálnych zdrojov, t. J. extrakcia energie z horúcich hornín.

Problém extrakcie a použitia nevyčerpateľnej, naplniteľnej hlbokej tepelnej energie horúcich kameňov zeme na území Ruskej federácie je náš tím ruských vedcov a špecialistov už viac ako rok. Cieľom práce je vytvorenie technických prostriedkov na hlboké prenikanie do zemskej kôry na základe domácich vysokých technológií. V súčasnosti boli vyvinuté niekoľko variantov vŕtacích nábojov (BS), ktoré nemajú v praxi na svete žiadne analógie.

Práca prvej verzie BS je spojená s existujúcou tradičnou technikou vrtov. Rýchlosť vŕtania tvrdej horniny (priemerná hustota je 2500-3300 kg / m3) je až 30 m / h, priemer jamky je 200-500 mm. Druhá verzia BS poskytuje vrtné studne v autonómnom a automatickom režime. Spustenie sa uskutočňuje zo špeciálnej štartovacej platformy, z ktorej je ovládaný pohyb. Jeden tisíc metrov BS v tvrdých skalách bude schopný prejsť do niekoľkých hodín. Priemer jamky je od 500 do 1000 mm. Opätovne použiteľné varianty BS majú veľkú ekonomickú účinnosť a obrovskú potenciálnu hodnotu. Zavedenie BS do výroby umožní otvoriť novú etapu pri stavbe vrtov a poskytnúť prístup k získaniu nevyčerpateľných zdrojov tepelnej energie Zeme.

Pre potreby zásobovania teplom je potrebná hĺbka vrtov v celej krajine v rozmedzí do 3-4,5 tisíc metrov a nepresahuje 5-6 tisíc metrov. Teplota kvapaliny na prenos tepla pre bytové a komunálne vykurovanie nepresahuje 150 ° C. Pri priemyselných zariadeniach teplota spravidla nepresahuje 180-200 oC.

Účelom vytvorenia GCC je poskytnúť neustále, cenovo dostupné, lacné teplo vzdialeným, nedostupným a nevyvinutým regiónom Ruskej federácie. Trvanie prevádzky GSS - 25-30 rokov alebo viac. Doba návratnosti staníc (pri zohľadnení najnovších technológií vŕtania) je 3-4 roky.

Vytvorenie primeranej kapacity na využitie geotermálnej energie pre neelektrické potreby v Ruskej federácii v nasledujúcich rokoch umožní nahradiť približne 600 miliónov ton ekvivalentu paliva. Úspory môžu byť až 2 bilióny rubľov.

Do roku 2030 je možné vytvoriť energetické kapacity na výmenu požiarnej energie až do výšky 30% a do roku 2040 je takmer úplne nemožné vylúčiť organické suroviny ako palivo z energetickej rovnováhy Ruskej federácie.

1. Goncharov S.A. Termodynamika. M.: MSTUim. NIE Bauman, 2002. 440 s.

2. Dyadkin Yu.D. a ďalšej geotermálnej tepelnej fyziky. Petrohrad: Science, 1993. 255 p.

3. Minerálna a surovinová základňa palivového a energetického komplexu Ruska. Stav a prognóza / V. K. Branchugov, E.A. Gavrilov, V.S. Litvinenko a kol., Ed. VZ Garipova, E.A. Kozlowski. M. 2004. 548 s.

4. Novikov G. P., et al. Vŕtanie vrtov pre termálne vody. M.: Nedra, 1986. 229 p.

1.3.2 Termálne pole Zeme. Zdroje tepelnej energie.

Geologické procesy vyskytujúce sa na povrchu a vo vnútri planéty sú primárne spôsobené tepelnou energiou. Termálne pole Zeme sa vytvára pod pôsobením endogénnych (alebo vnútorných zdrojov) spojených s tvorbou tepla vo vnútri planéty a exogénnych (alebo vonkajších voči planéte).

Na povrchu planéty najdôležitejšiu úlohu zohráva exogénny zdroj tepla - slnečné žiarenie. Teplota zemského povrchu je určená najmä solárnym ohrevom, ktorého priemerný prietok je 3,4. 10 -2 J / s. cm2. 1 DK = 10 SG; 1 kal = 4,187 J. Predpokladá sa, že povrch Zeme je v stave blízky tepelnej rovnováhe a v priemere vyžaruje toľko tepla, aké dostáva. Prietok tepla sa mení podľa intenzity a smeru. Kolísanie teploty rôznych periód preniká do rôznych hĺbok. Epocha zaľadnenia svedčí o dlhodobých zmenách tepelného poľa Zeme.

Pod povrchom zeme, vplyv slnečného tepla dramaticky klesá. Už v malej hĺbke (až 20-30 m) je pás konštantných teplôt - oblasť hĺbok, kde teplota zostáva konštantná a rovná sa priemernej ročnej teplote oblasti. Pod pásom s konštantnými teplotami sa teplo spája s endogénnymi zdrojmi. Tepelný tok generovaný v interiéri Zeme sa odhaduje na

1025 J / rok. Teplota skál sa zvyšuje s hĺbkou. Intenzita prívodu tepla z podložia na povrch sa odráža v magnitúde geotermálneho gradientu. Geotermálny gradient - prírastok teploty s hĺbkou, vyjadrený v 0 C / km. "Inverznou" charakteristikou je geotermálna fáza - hĺbka v metroch, pri ponorení sa teplota zvýši o 1 0 С. Priemerný geotermálny gradient v hornej časti kôry je 33 0 С / km a pohybuje sa od 200 0 С / km v oblastiach moderného aktívneho magmatizmu až do 5 0 C / km v oblastiach s tichým tektonickým režimom. Pri hĺbke sa veľkosť geotermálneho gradientu výrazne znižuje, čo predstavuje asi 10 0 C / km v litosfére a menej ako 1 0 C / km v plášti. Dôvodom je rozdelenie zdrojov tepelnej energie a charakter prenosu tepla.

Zdroje endogénnej energie sú nasledujúce: 1). Energia hlbokej gravitačnej diferenciácie, t.j. uvoľňovanie tepla, keď sa látka v priebehu jej chemických a fázových premien rozptýli v hustote. Hlavným faktorom takýchto transformácií je tlak. Hranica jadra - plášťa sa považuje za hlavnú úroveň uvoľnenia tejto energie. 2). Radiogénne teplo vznikajúce pri rozpadu rádioaktívnych izotopov. Podľa niektorých výpočtov tento zdroj určuje asi 25% tepelného toku emitovaného Zemou. Treba však vziať do úvahy, že zvýšené hladiny hlavných rádioaktívnych izotopov s dlhým polčasom rozpadu - urán, tórium a draslík - sú pozorované len v hornej kontinentálnej kôre (zóna obohatenia izotopov). Napríklad koncentrácia uránu v žulach dosiahne 3,5 • 10-4%, v sedimentárnych horninách - 3,2 • 10-4%, zatiaľ čo v oceánskej kôre je zanedbateľná: približne 1,66 • 10 - 7%. Radiogénne teplo je teda ďalším zdrojom tepla v hornej časti kontinentálnej kôry, čo určuje vysoký rozsah geotermálneho gradientu v tejto oblasti planéty. 3). Zvyškové teplo, zachované v hĺbkach planéty od vzniku planéty. 4). Pevné prílivy v dôsledku prilákania mesiaca. Prechod kinetickej prílivovej energie na teplo nastáva v dôsledku vnútorného trenia v horninových vrstvách. Podiel tohto zdroja na celkovej tepelnej bilancii je malý - asi 1-2%.

Vodivý (molekulárny) mechanizmus prenosu tepla dominuje v litosfére a prechod na prevažne konvekčný mechanizmus prenosu tepla prebieha v subligotnom plášti Zeme. Výpočty teplôt vo vnútri planéty dávajú tieto hodnoty: v litosfére v hĺbke asi 100 km je teplota okolo 1300 0 С v hĺbke 410 km - 1500 0 С v hĺbke 670 km - 1800 0 С, na rozhraní jadra a plášťa - 2500 0 С, v hĺbke 5150 km - 3300 0 С, v strede Zeme - 3400 0 С. Vtedy iba hlavné (a najpravdepodobnejšie pre hlboké zóny) zdroj tepla - energia

Zdroje tepla v útrobách Zeme a zákony o ich prenose

Zdroje tepla

Zem má tepelnú energiu vonkajšieho (exogénneho) a vnútorného (endogénneho) pôvodu. Hlavné zdroje vnútornej tepelnej energie sú:

  • spontánne rozpad rádioaktívnych prvkov: prvky s polčasom rozpadu menším ako je čas tvorby Zeme rozpadol pri počiatočnom ohreve planetárnej látky; v súčasnosti pokračuje rozpad prvkov s dlhou životnosťou;
  • vplyv prilákania Slnka a Mesiaca, ktorý vedie k odlivu Zeme a spomaleniu Zeme - vďaka tomuto faktoru sa až 30% tepla rádiogénneho pôvodu uvoľnilo počas existencie Zeme;
  • gravitačná diferenciácia hmoty Zeme a jej oddelenie, aby vytvorila husté jadro a menej hustú škrupinu;
  • tektonické procesy spôsobujúce vertikálne a horizontálne posuny veľkých blokov zemskej kôry a jej elastické deformácie;
  • fyzikálne a chemické procesy vyskytujúce sa v útrobách Zeme.

Rádioaktívne prvky v kôre sú milióny gramov na gram horniny. Avšak počas existencie našej planéty bolo vytvorené teplo dostatočné na zahrievanie vnútorných vrstiev Zeme, ktoré spôsobili vývoj takých procesov, ako je vulkanizmus, metamorfizmus, zemetrasenia, tepelné žiarenie atď.

Tvorba tepla Zeme je úzko spojená s históriou vzniku našej planéty. Podľa najnovšej (1950) hypotézy (Schmidt a iní) sa tvorba planét, vrátane Zeme, objavila v dôsledku koncentrácie protoplanetárneho oblaku prachu okolo Slnka. Pôvodná látka planét, ktorá je v chladnom stave, pod vplyvom kondenzácie látky planéty a vnútorného tepla z rádioaktívneho rozpadu prvkov sa začala postupne zahriať, čo následne spôsobilo rozlíšenie hmoty a tvorbu zemských škrupín. Tvorba primárnej studenej hmoty moderných plášťov Zeme bola založená na princípe jeho topenia v zóne. Výsledné zložité fyzikálno-chemické procesy viedli k tomu, že látky s nízkou teplotou topenia vzrástli z hĺbky Zeme na jej povrch a ťažké zložky klesli do jadra. V procese tavenia zón došlo k stratifikácii našej planéty do určitých škrupín a tiež k uvoľneniu obrovskej energie. Podľa akademika A.P. Vinogradov, práve v dôsledku zóny tavenia látky planéty, vyskytujúcej sa pod vplyvom energie rádioaktívneho rozpadu, tvoril plášť Zeme: atmosféru, hydrosféru a pevnú škrupinu.

Okrem tepla pochádzajúceho z hlbín, zemský povrch dostáva energiu slnečného žiarenia počas celého roka. Teplota najvrchnejších vrstiev zemskej kôry závisí od slnečného tepla.

Denné zmeny teploty dosahujú až do hĺbky nie viac ako 1-2 m. V hĺbke 20-25 m sa teplota vystavuje sezónnym výkyvom. V tejto hĺbke sa nachádza pás s konštantnou ročnou teplotou (neutrálna vrstva), ktorý sa rovná priemernej ročnej teplote vzduchu na povrchu Zeme. Horná časť zemskej kôry, ktorá je umiestnená nad neutrálnou vrstvou a je ovplyvnená slnečným žiarením, sa nazýva heliotermálna zóna.

Nulová vrstva v rôznych oblastiach zemského povrchu je umiestnená v rôznych hĺbkach. Posledná zmena závisí od amplitúdy teplôt na povrchu, tepelnej vodivosti horniny, oveľa vyšších teplotných výkyvov a vyššej tepelnej vodivosti horniny, čím hlbšia je neutrálna vrstva. Napríklad pre Moskvu je teplota neutrálnej vrstvy +4,2 ° C a fixovaná v hĺbke 20 m.

Pod neutrálnou vrstvou je geotermálna zóna, ktorá je charakterizovaná teplom generovaným samotnou Zemou.

Pod geotermálnou energiou rozumejú fyzické teplo hlbokých vrstiev Zeme, ktoré majú teplotu presahujúcu teplotu vzduchu na povrchu. Ako nosiče tejto energie môžu pôsobiť ako tekuté kvapaliny (zmes vody a / alebo pary a vody) a suché skaly umiestnené v príslušnej hĺbke. Stredná hodnota tepelného toku prichádzajúceho od podložia k povrchu nad zemským povrchom je veľmi malá, približne 0,03 W / m 2.

Tepelné vlastnosti hornín

Tepelné vlastnosti hornín, ktoré ovplyvňujú geotermálne prostredie, zahŕňajú tepelnú vodivosť, tepelnú odolnosť, tepelnú kapacitu a tepelnú difúznu schopnosť.

Tepelná vodivosť, alebo presnejšie, koeficient tepelnej vodivosti λ, W / m · K, je koeficient proporcionality Fourierovho zákona vzťahujúci sa na hustotu tepelného toku q, W / m 2 na gradientovú teplotnú krivku T, K / m:

Pórovitosť a vlhkosť ovplyvňujú tepelnú vodivosť horniny. Suché a porézne horniny majú nižší koeficient tepelnej vodivosti ako monolitické a mokré. Prítomnosť pohybu horniny v póroch mení mechanizmus prenosu tepla, čím sa pridáva k vodivému konvekčnému prenosu tepla.

Tepelný odpor ε, m · K / W je recipročná tepelná vodivosť:

Špecifické teplo látky C, kJ / kg · K, sa určuje vzorcom

kde dQ, kJ je množstvo tepla dodávaného do hmoty látky m, kg, aby sa ohrilo na dT, K.

Koeficient tepelnej difuzivity a, m 2 / s charakterizuje rýchlosť zmeny teploty na jednotku objemu média v nestacionárnych procesoch a je určená vzorcom

kde ρ je hustota horniny, kg / m 3.

Tepelná difúznosť horniny závisí od nasledujúcich faktorov:

  • hustota horniny - tepelná difúzia klesá so zvyšujúcou sa hustotou;
  • vlhkosť horniny - tepelná difúzia sa zvyšuje so zvyšujúcou sa vlhkosťou a zvyšovanie sa dosahuje až do určitej hranice vlhkosti (odlišnej pre rôzne horniny), nad ktorou sa znižuje tepelná difúznosť, pretože tepelná kapacita hornín sa zvyšuje pri vysokej vlhkosti;
  • typ tekutiny obsiahnutej v hornine (olejové ložiská majú nižšiu tepelnú difúznu schopnosť ako vodonosné vrstvy, pretože tepelný odpor oleja je vyšší ako tepelná odolnosť oleja);
  • skalné teploty - tepelná difúzia klesá so zvyšujúcou sa teplotou hornín v dôsledku zvýšenia tepelného odporu a tepelnej kapacity;
  • stratifikácia hornín - podľa lôžkoviny je tepelná difúznosť vyššia.

Tepelná difúzna schopnosť prakticky nezávisí od slanosti vytvárajúcich sa vôd.

Typy prenosu tepla

Geotermálny gradient. V geotermálnej zóne teplota stúpa s hĺbkou. V hornom plášti v hĺbke 400 km je teplota 1700 ° C, v hĺbke 2900 km dosahuje 2500 ° C av hĺbke 5000 km je asi 5000 ° C.

Prestup tepla v zemskej kôre sa vykonáva prenosom tepla z vodivých zdrojov vďaka tepelnej vodivosti hornín a konvekčnému prenosu tepla spojenému s cirkuláciou podzemných kvapalín - voda, olej, magma, plyny. Napriek tomu, že konvekčný prenos tepla nie je hlavnou príčinou prenosu tepla, podzemné kvapaliny a predovšetkým voda zaujímajú osobitné miesto v celkovom prenose tepla na Zemi kvôli vysokej migračnej kapacite, značnej tepelnej kapacite a účasti na geologických procesoch. Podzemné vodné nádrže aktívne cirkulujú, sú v kruhovom výmene s povrchovými a atmosférickými vodami. V oblastiach s aktívnym obehom podzemnej vody dochádza k dramatickému nárastu prenosu tepla a klesajúcemu teplotnému gradientu. Podzemná voda, ktorá má veľkú tepelnú kapacitu, počas premiestňovania prerozdeľuje tepelný tok a spôsobuje tepelné anomálie.

Geotermálny gradient G, K / m je určený vzorcom:

kde H, m, hĺbka.

V praxi geologických a hydrogeotermických štúdií sa geotermálny gradient zvyčajne určuje na interval 100 m a v priemere pre zemskú kôru je tento gradient 3 K. Prítomnosť teplotného gradientu sa vysvetľuje existenciou hlbokého tepelného toku smerovaného na zemský povrch.

Interval hĺbok zemskej kôry v metroch, pri ktorom teplota stúpa o 1 K, sa nazýva geotermálny krok:

Geotermálna fáza sa značne líši a závisí od mnohých dôvodov: tepelná vodivosť, povaha výskytu a zloženie hornín, pohyb podzemných vôd, hydrochemické procesy.

V priemere sa pre sedimentárne horniny predpokladá, že geotermálny krok je 33 m, ale v skutočnosti sa pohybuje od 5 do 160 m (v Rusku od 20 do 100 m). Priemerné hodnoty geotermálneho stupňa pre staré kryštalické štíty sú viac ako 100 m, pre plošinu 30-80 m, pre oblasť najnovšieho vulkanizmu 5-20 m.

Pre väčšinu oblastí so zásobníkom typu kolektorov je teplotná závislosť na hĺbke lineárna:

kde tH - teplota hornín v hĺbke H, K; T0 - teplota neutrálnej vrstvy horniny, K; D - geotermálny gradient, stabilný s hĺbkou, K / m; H - hĺbka, m

Treba poznamenať, že veľkosť geotermálneho gradientu sa výrazne líši nielen v rôznych oblastiach, ale aj v rámci tej istej oblasti. Hodnota geotermálneho gradientu sa tiež líši s hĺbkou a závisí od tepelnej vodivosti horniny tvoriacej geologický úsek. Skaly rôzneho zloženia sa líšia tepelnou vodivosťou. V rade zložených kryštalických hornín s vysokou tepelnou vodivosťou je geotermálny gradient malý. Hliny sú charakterizované nízkou tepelnou vodivosťou a rýchlym nárastom teploty s hĺbkou a tým aj veľkým geotermálnym gradientom sa pozoruje v vrstvách ílov.

Ako už bolo uvedené, podzemná voda zohráva významnú úlohu pri prenose tepla. Môžu prenášať teplo z hlbokých zón na povrch. Naopak zostupné toky vody v oblastiach zásobovania vodou v zvodnených vrstvách ochladzujú kôru.

Najvyššie teploty s hĺbkou sú pozorované v oblastiach modernej sopečnej činnosti, ktoré v Rusku zahŕňajú región Kamčatka. Na výstupoch parnej hydrotermie na poli Nizhnekoshelevskoye v Kamčatke sú geotermálne gradienty 0,25-0,45 K / m. Vo vysokohorských vodách Pauzhetskoye na juhu Kamčatky je maximálna teplota v hĺbke 250 m asi 200 ◦ C.

Z ne-vulkanických oblastí je región Severného Kaukazu najohrozenejší, kde hodnoty geotermálneho gradientu sú 0,03 až 0,05 K / m, zatiaľ čo jeho priemerné hodnoty pre Moskvu sú 0,02, Petrohrad - 0,025, Dolná Volga - 0,021, Urals - 0,012 K / m. V hĺbke 2000 m boli teploty na ruskej platforme stanovené v priemere 40-50 ◦ C, na sibírskej platforme - 35-40 ◦ C a vo východnej Cis-Kaukaze sa teplota pohybuje od 70 do 125 C.

Obrázok 1 znázorňuje zmenu priemernej teploty s hĺbkou ukladania sedimentu pre východnú Ciscaucasiu.

Obr. 1. Zmeny priemernej teplotnej krivky s hĺbkou pre východnú kozukáziu

Pri geotermálnom poli Tarumovského v Dagestáne sa zaznamenala teplota 198 ° C počas výstavby najhlbších vrtov v termálnych vodách v dolnej diere v hĺbke 5.500 m.

Tabuľka 1 ukazuje priemerné hodnoty geotermálneho kroku a gradientu pre niektoré regióny Ruska a blízkeho zahraničia.

Tabuľka 1. - Geotermálne kroky a gradienty pre niektoré oblasti

Na záver poznamenávame, že geotermálne podmienky v Rusku sú veľmi rozmanité. Ak v vulkanických oblastiach Kamčatky teplota hornín a tekutín často dosahuje až 100 ° C už v prvých desiatkach metrov od povrchu, v severných oblastiach Sibíru je niekedy negatívna teplota horniny vysledovaná do hĺbky viac ako 1000 m. V regióne Severného Kaukazu je izotermia 100 ° C Je to asi 1500 m, zatiaľ čo v strednej a severozápadnej časti európskej časti krajiny klesá na 6000 m.

Použitie nízkej potenciálnej tepelnej energie zeminy v systémoch tepelných čerpadiel

G.P. Vasilyev, Cand. TEHNO. Sciences, predseda predstavenstva OJSC "INSOLAR-INVEST";

Racionálne využívanie palív a energetických zdrojov je dnes jedným z globálnych problémov sveta, ktorého úspešné riešenie bude očividne rozhodujúce nielen pre budúci rozvoj svetového spoločenstva, ale aj pre zachovanie jeho životného prostredia. Jedným zo sľubných spôsobov riešenia tohto problému je použitie nových technológií na úsporu energie, ktoré využívajú netradičné obnoviteľné zdroje energie (NRES). Vyčerpanie zásob tradičných fosílnych palív a environmentálne dôsledky ich spaľovania v posledných desaťročiach spôsobili výrazný nárast záujmu o tieto technológie takmer vo všetkých rozvinutých krajinách sveta. Výhody vykurovacích technológií, ktoré využívajú nekonvenčné zdroje energie v porovnaní s ich tradičnými náprotivkami, sú spojené nielen so značným znížením nákladov na energiu v systémoch životnej podpory budov a stavieb, ale aj s ich ekologickou čistotou a novými príležitosťami na zvýšenie autonómie systémov podpory života. Zdá sa, že v blízkej budúcnosti budú tieto vlastnosti rozhodujúce pre formovanie konkurenčnej situácie na trhu zariadení na výrobu tepla.

Analýza možných oblastí použitia technológií využívajúcich nekonvenčné zdroje energie v ruskej ekonomike ukazuje, že v Rusku je najsľubnejšia oblasť ich realizácie budovanie systémov podpory života. Je to veľmi efektívny spôsob zavádzania technológií v praxi považované za domáce konštrukcie objavia rozšírené používanie vykurovanie s tepelným čerpadlom (TSC), za použitia bežne dostupného zdroja tepla nízky potenciál pozemné povrchovej vrstvy zeme.

Pri používaní tepla zeme môžeme rozlíšiť dva typy tepelnej energie - vysoký potenciál a nízky potenciál. Zdrojom vysoko potenciálnej tepelnej energie sú hydrotermálne zdroje - termálne vody ohrievané vysokými geologickými procesmi v dôsledku geologických procesov, ktoré umožňujú ich využitie na vykurovanie budov. Používanie vysokokvalitného tepla zeme je však obmedzené na oblasti s osobitnými geologickými parametrami. V Rusku je to napríklad Kamčatka, región kavkazských minerálnych vôd; v Európe existujú vysoké potenciálne zdroje tepla v Maďarsku, na Islande a vo Francúzsku.

Na rozdiel od "priameho" používania vysoko kvalitného tepla (hydrotermálne zdroje) je možné používať nízko tepelné teplo zeme prostredníctvom tepelných čerpadiel takmer všade. V súčasnosti je jednou z najdynamickejšie sa rozvíjajúcich oblastí využívania nekonvenčných obnoviteľných zdrojov energie.

Nízke potenciálne teplo zeme sa môže použiť v rôznych typoch stavieb a konštrukcií rôznymi spôsobmi: na vykurovanie, zásobovanie teplou vodou, klimatizáciu (chladenie), vykurovanie v zime, zabránenie námrazy, zohrievanie polí na otvorených štadiónoch atď. V literatúre sa takéto systémy označujú ako "GHP" - "geotermálne tepelné čerpadlá", geotermálne tepelné čerpadlá.

Klimatické charakteristiky krajín strednej a severnej Európy, ktoré spolu so Spojenými štátmi a Kanadou sú hlavnými oblasťami využívania nízkeho tepla zeme, určujú najmä potrebu vykurovania; chladenie vzduchom počas letného obdobia sa vyžaduje pomerne zriedka. Preto na rozdiel od Spojených štátov pracujú tepelné čerpadlá v európskych krajinách hlavne v režime vykurovania. V USA sa tepelné čerpadlá častejšie používajú v systémoch na vykurovanie vzduchu kombinované s ventiláciou, čo umožňuje vykurovanie aj chladenie vonkajšieho vzduchu. V európskych krajinách sa tepelné čerpadlá bežne používajú vo vodných vykurovacích systémoch. Keďže účinnosť tepelných čerpadiel stúpa s klesajúcimi teplotnými rozdielmi medzi výparníkom a kondenzátorom, často sa používajú podlahové vykurovacie systémy na vykurovanie budov, v ktorých chladiaca kvapalina cirkuluje pri relatívne nízkej teplote (35-40 ° C).

Väčšina tepelných čerpadiel v Európe, ktoré sú navrhnuté tak, aby používali nízkokvalitné zemné teplo, sú vybavené elektrickými kompresormi.

V priebehu posledných desiatich rokov značne vzrástol počet systémov, ktoré používajú nízke tepelné teplo zeme prostredníctvom tepelných čerpadiel na zásobovanie teplom a chladom budov. Najväčší počet takýchto systémov sa používa v Spojených štátoch. Veľké množstvo takýchto systémov pôsobí v Kanade a krajinách strednej a severnej Európy: Rakúsku, Nemecku, Švédsku a Švajčiarsku. Švajčiarsko vedie svet z hľadiska nízkeho potenciálu využitia tepelnej energie na obyvateľa. V Rusku za posledných desať rokov bolo s využitím technológie vybudovaných len niekoľko objektov a za účasti spoločnosti INSOLAR-INVEST, ktorá sa špecializuje na túto oblasť, z ktorých najzaujímavejšie sú uvedené v [2, 6].

V moskve v Mikroregióne Nikulino-2 bol po prvýkrát po prvýkrát postavený systém teplej úžitkovej vody pre vysokú obytnú budovu [8, 9]. Tento projekt bol v rokoch 1998-2002 Ministerstvo obrany v spolupráci s vládou v Moskve, ruské ministerstvo priemyslu, NP "AVOK" a JSC "Insolar-Invest" v "dlhodobé úspory energie programu v Moskve."

Ako nízkonáblový zdroj tepelnej energie pre výparníky tepelných čerpadiel sa používa teplo zeminy povrchových vrstiev zeme, ako aj teplo odvzdušňovacieho vzduchu. Inštalácia na prípravu horúcej vody sa nachádza v suteréne budovy. Zahŕňa tieto hlavné prvky:

- zariadenia na tepelné čerpadlá na kompresiu výparov (TNU);

- zásobníky na teplú vodu;

- systémy na zber nízkopotenciálnej tepelnej energie pôdy a nízkopotenciálneho tepla odstráneného vetracieho vzduchu;

- obehové čerpadlá, prístrojové vybavenie.

Hlavným prvkom tepelnej výmeny systému na zber nízkej kvality zemného tepla sú vertikálne koaxiálne zemné výmenníky tepla umiestnené mimo obvodu budovy. Tieto výmenníky tepla sú 8 vrtov s hĺbkou 32 až 35 m každý, usporiadané v blízkosti domu. Pretože režim prevádzky tepelných čerpadiel, ktoré využívajú teplo zeme a teplo odvádzaného vzduchu, je konštantné a spotreba horúcej vody je variabilná, zásobník teplej vody je vybavený zásobníkmi.

Údaje o svetovej hladine využitia nízkej potenciálnej tepelnej energie zeme pomocou tepelných čerpadiel sú uvedené v tabuľke.

Pôda ako zdroj nízkej potenciálnej tepelnej energie

Ako zdroj nízko potenciálnej tepelnej energie je možné použiť podzemné vody s relatívne nízkou teplotou alebo so zemným povrchom (až do hĺbky 400 m). Tepelný obsah pôdnej hmoty je všeobecne vyšší. Tepelný režim pôdy povrchových vrstiev zeme je vytvorený pod vplyvom dvoch hlavných faktorov - slnečného žiarenia dopadajúceho na povrch a prietoku rádiogénneho tepla z vnútra zeme. Sezónne a denné zmeny intenzity slnečného žiarenia a vonkajšej teploty spôsobujú kolísanie teploty horných vrstiev pôdy. Hĺbka prieniku denných výkyvov teploty vonkajšieho vzduchu a intenzita dopadajúceho slnečného žiarenia v závislosti od špecifických pôdnych a klimatických podmienok sa pohybuje od niekoľkých desiatok centimetrov až po jeden a pol metra. Hĺbka prenikania sezónnych výkyvov teploty vonkajšieho vzduchu a intenzita dopadajúceho slnečného žiarenia neprekračuje spravidla 15-20 m.

Teplotný graf
v závislosti od hĺbky

Teplotné podmienky pôdnych vrstiev nachádzajúcich sa pod touto hĺbkou ( "neutrálna zóna"), je ovplyvnená tepelná energia zo zeme a je prakticky nezávislý na sezónne a denné kolísanie z viac klímy parametra vonkajšie (obr. 1). Pri zvyšovaní hĺbky sa teplota zeme zvyšuje podľa geotermálneho gradientu (približne 3 ° C na 100 m). Množstvo rádiogénneho tepelného toku prichádzajúceho z vnútra zeme sa mení v rôznych oblastiach. Pre strednú Európu je táto hodnota 0,05 - 0,12 W / m 2 [3].

Faktory, v dôsledku ktorých sa tvorí teplota pôdy [3]

Prevádzková doba pole pôdy nachádzajúce sa v zóne tepelných rúrok vplyv registra poťahovú výmenník nízkeho stupňa zber tepla pôdy systému (teplosbora systém), v dôsledku sezónnych zmien mimo parametrov klímy, ako aj pod vplyvom prevádzkových zaťažení na teplosbora systému obvykle podrobí opakované zmrazovanie a rozmrazovanie. V tomto prípade prirodzene dochádza k zmene agregačného stavu vlhkosti obsiahnutej v póroch pôdy a nachádza sa vo všeobecnosti v oboch kvapalných a tuhých a plynných fázach súčasne. Inými slovami, predbežný poťah pole teplosbora systém, bez ohľadu na to, v akom stave je (vo mrazené alebo rozmrazené), je komplexný trojfázový polydisperzní heterogénne systém "kostra", ktorá je tvorená veľkým počtom pevných častíc rôznych tvarov a veľkostí, a môže byť buď pevná a pohyblivé, v závislosti od toho, či sú častice pevne spojené navzájom alebo či sú od seba oddelené látkou v mobilnej fáze. Medzery medzi tuhými časticami sa môžu naplniť mineralizovanou vlhkosťou, plynom, parou a ľadom alebo oboma. Modelovanie pre prenos tepla a hmoty procesy, ktoré tvoria režime tepelného takéhoto viaczložkového systému je mimoriadne komplikovaná úloha, pretože to vyžaduje, aby vedenie a matematický opis rôznych mechanizmoch vykonávania: tepelnú vodivosť v jedinej častice, prenos tepla z jednej častice na inú pri ich kontakte, molekulárnej vedenie tepla v médiu zaplnenie medzier medzi časticami, konvekciou pary a vlhkosti obsiahnutou v priestore pórov a mnohými inými.

Osobitná pozornosť by sa mala venovať vplyvu obsahu vlhkosti v pôdnom masíve a migrácii vlhkosti v priestore pórov na tepelné procesy, ktoré určujú vlastnosti pôdy ako zdroj tepelnej energie nízkej kvality.

V kapilárno-poréznych systémoch, čo je pôdna hmota systému zberu tepla, prítomnosť vlhkosti v priestore pórov má výrazný vplyv na proces rozširovania tepla. Správny popis tohto vplyvu je v súčasnosti plný značných ťažkostí, ktoré sú primárne spojené s nedostatkom jasných myšlienok o charaktere rozdelenia tuhých, kvapalných a plynných fáz vlhkosti do konkrétnej štruktúry systému. Povaha síl spojenia vlhkosti s časticami kostry, závislosť foriem spojenia vlhkosti s materiálom v rôznych fázach navlhčovania, mechanizmus pohybu vlhkosti v pórovom priestore ešte nebol objasnený.

V prítomnosti teplotného gradientu v hĺbke zemného masívu sa molekuly pár pohybujú na miesta s nižším teplotným potenciálom, ale súčasne, pri pôsobení gravitačných síl, nastáva opačné smerovanie vlhkosti v kvapalnej fáze. Navyše teplota horných vrstiev pôdy je ovplyvnená vlhkosťou zrážok, ako aj podzemnými vodami.

Hlavnými faktormi, na základe ktorých sa vytvára teplotný režim pôdneho poľa systémov zberu nízkokvalitného tepla pôdy, sú znázornené na obr. 2.

Typy systémov s nízkou potenciálnou tepelnou energiou zeme

Zemné výmenníky tepla spájajú zariadenie tepelného čerpadla s pozemnou hmotnosťou. Okrem "extrakcie" tepla zeme sa môžu použiť aj mlynské výmenníky tepla (alebo studené) v pôde. Vo všeobecnosti existujú dva typy systémov s nízkou potenciálnou tepelnou energiou zeme:

- otvorené systémy: podzemná voda dodávaná priamo do tepelných čerpadiel sa používa ako zdroj nízkej tepelnej energie;

- uzavreté systémy: výmenníky tepla sa nachádzajú v pôde; keď pri ňom cirkuluje chladiaca kvapalina s nižšou zemnou teplotou, teplo sa "odoberá" zo zeme a prenesie sa do odparovača tepelného čerpadla (alebo pri použití tepelného nosiča s vyššou teplotou na zemi, chladením).

Hlavnou súčasťou otvorených systémov sú studne, ktoré umožňujú odvádzanie podzemných vôd z vodonosných vrstiev a návrat vody späť do tých istých vodonosných vrstiev. Zvyčajne sú pre tento účel usporiadané párové studne. Schéma takého systému je znázornená na obr. 3.

Schéma otvoreného systému s nízkou potenciálnou tepelnou energiou podzemnej vody

Výhodou otvorených systémov je možnosť získať veľké množstvo tepelnej energie pri relatívne nízkych nákladoch. Avšak vrty vyžadujú údržbu. Okrem toho, použitie takýchto systémov nie je možné vo všetkých lokalitách. Hlavné požiadavky na pôdu a podzemnú vodu sú:

- dostatočná priepustnosť pôdy umožňujúca doplnenie zásob vody;

- dobré chemické zloženie podzemných vôd (napríklad nízky obsah železa), vyhnúť sa problémom spojeným s tvorbou usadenín na stenách potrubia a korózie.

Otvorené systémy sa častejšie používajú na zásobovanie veľkých budov teplom alebo chladom. Najväčší geotermálny systém tepelných čerpadiel na svete využíva podzemnú vodu ako zdroj nekvalitnej tepelnej energie. Tento systém sa nachádza v Spojených štátoch v Louisville (Louisville) v štáte Kentucky. Systém sa používa na dodávku tepla a chladu do hotelového a kancelárskeho komplexu; jeho kapacita je približne 10 MW.

Niekedy sú systémy používajúce teplo nízkej kvality otvorených vodných telies, prírodné a umelé, tiež odkazované na systémy, ktoré využívajú teplo zeme. Tento prístup bol prijatý najmä v USA. Systémy, ktoré používajú nízkokvalitné teplo vodných útvarov, sú otvorené, rovnako ako systémy využívajúce nízkokvalitné teplo podzemných vôd.

Typy horizontálnych výmenníkov tepla:
a - výmenník tepla z dôsledne pripojených potrubí; b - výmenník tepla z paralelne pripojených potrubí; in - horizontálny kolektor, položený v zákopu; g - výmenník tepla vo forme slučky; e - výmenník tepla vo forme špirály umiestnenej horizontálne (takzvaný "slinky" kolektor); e - tepelný výmenník vo forme špirály umiestnenej zvisle

Uzavreté systémy sú zase rozdelené na horizontálne a vertikálne.

Vodorovný zemný výmenník tepla (v literatúre v anglickom jazyku používa termíny "kolektor tepla" a "horizontálna slučka") je spravidla umiestnený v blízkosti domu v malej hĺbke (ale pod úrovňou zimného zmrazovania pôdy). Použitie horizontálnych zemných výmenníkov je obmedzené veľkosťou existujúceho miesta.

V krajinách západnej a strednej Európy sú horizontálne zemné výmenníky zvyčajne samostatné trubice, ktoré sú relatívne tesne spojené a sú prepojené sériovo alebo paralelne (obrázky 4a, 4b). Na zachovanie priestoru v lokalite boli vyvinuté vylepšené typy výmenníkov tepla, napríklad výmenníky tepla vo forme špirály umiestnené horizontálne alebo vertikálne (obrázky 4e, 4e). Táto forma výmenníkov tepla je bežná v Spojených štátoch.

Ak sa systém s horizontálnymi výmenníkmi tepla používa iba na získanie tepla, jeho normálna funkcia je možná iba vtedy, ak je z povrchu zeme dostatočný tepelný prírastok kvôli slnečnému žiareniu. Z tohto dôvodu musí byť povrch nad výmenníkmi tepla vystavený slnečnému žiareniu.

Vertikálne výmenníky tepla (v anglickom jazyku, označenie "BHE" - "vrtný výmenník tepla") umožňuje používať nízko potenciálnu tepelnú energiu pôdnej hmoty pod "neutrálnou zónou" (10-20 m od zeme). Systémy so zvislými mriežkami tepla nevyžadujú veľké plochy a nezávisia od intenzity slnečného žiarenia dopadajúceho na povrch. Vertikálne tepelné výmenníky pracujú účinne takmer vo všetkých typoch geologických médií, s výnimkou pôd s nízkou tepelnou vodivosťou, napríklad suchým pieskom alebo suchým štrkom. Systémy so zvislými mriežkami tepla sú veľmi bežné.

Schéma vykurovania a dodávky teplej vody v obytnom dome s jednou bytovou jednotkou pomocou inštalácie tepelného čerpadla so zvislým zemným výmenníkom tepla je znázornená na obr. 5.

Schéma kúrenia a dodávky teplej vody v obytnom dome s jednou bytovou jednotkou prostredníctvom inštalácie tepelného čerpadla so zvislým zemným výmenníkom tepla

Prierez rôznych typov vertikálnych výmenníkov tepla pôdy [3]

Chladiaca kvapalina cirkuluje cez potrubia (najčastejšie polyetylén alebo polypropylén) uložené vo vertikálnych studniach s hĺbkou 50 až 200 m. Bežne sa používajú dva typy zvislých mriežok (obrázok 6):

- Výmenník tepla v tvare písmena U, ktorý sa skladá z dvoch paralelných rúrok pripojených na dne. Jeden alebo dva (zriedka tri) páry takýchto potrubí sú umiestnené v jednej studni. Výhodou tejto schémy je pomerne nízke výrobné náklady. Dvojité výmenníky tepla v tvare U - najrozšírenejší typ vertikálneho zemného výmenníka tepla v Európe.

- Koaxiálny (sústredný) výmenník tepla. Najjednoduchší koaxiálny výmenník tepla pozostáva z dvoch rúrok rôznych priemerov. Menšia rúra je umiestnená v inom potrubí. Koaxiálne výmenníky tepla môžu byť zložitejšie konfigurácie.

Na zvýšenie účinnosti výmenníkov tepla je priestor medzi stenami studne a rúrky vyplnený špeciálnymi tepelne vodivými materiálmi.

Systémy s vertikálnymi mestskými výmenníkmi tepla môžu byť použité na dodávku tepla a chladu budov rôznej veľkosti. Pre malú budovu stačí jeden výmenník tepla; pri veľkých budovách môže byť potrebná celá skupina studní so zvislými výmenníkmi tepla. Najväčší počet studní na svete sa používa v systéme vykurovania a chladenia Richard Stockton College v štáte New Jersey. Vertikálne výmenníky tepla v tejto vysokej škole sa nachádzajú v 400 studniach s hĺbkou 130 m. V Európe sa najväčší počet studní (154 vrtov s hĺbkou 70 m) využíva v systéme tepla a chladenia centrálnej kancelárie Nemeckej leteckej dopravnej služby (Deutsche Flug-sicherung).

Špeciálny prípad vertikálnych uzavretých systémov je použitie stavebných konštrukcií ako meračov tepla, napríklad základových pilót s monolitickými potrubiami. Prierez takejto hromady s troma obrysmi výmenníka tepla je znázornený na obr. 7.

Schéma zemných výmenníkov tepla zabudovaných v základových hromadách budovy a prierez takejto hromady

Typ kolóny

Pôdny masív (v prípade vertikálnych meračov tepla) a stavebné konštrukcie so zemnými výmenníkmi môžu byť použité nielen ako zdroj, ale aj ako prírodný akumulátor tepelnej energie alebo "studenej", napríklad tepla slnečného žiarenia.

Existujú systémy na používanie nízkeho tepla zeme, ktoré nemožno jednoznačne pripísať otvoreniu alebo zatvoreniu. Napríklad rovnaké hĺbky (od hĺbky 100 až 450 m) dobre naplnené vodou môžu byť prevádzkové aj vstrekované. Priemer jamky je zvyčajne 15 cm. Na dne vrtu je umiestnené čerpadlo, ktorým sa voda odvádza do výparníkov tepelného čerpadla. Spätná voda sa vracia späť do vrchu vodného stĺpca do tej istej studne. Existuje neustále doplňovanie studní podzemnými vodami a otvorený systém funguje ako uzavretý. Systémy tohto typu v anglickej jazykovej literatúre sa nazývajú "stojanový stĺpový systém" (obrázok 8).

Zvyčajne sa studne tohto typu používajú na zásobovanie budovy pitnou vodou. Takýto systém však môže pracovať efektívne len v pôde, ktorá zabezpečuje konštantné napájanie studne vodou, čo zabraňuje jej zmrazeniu. Ak je vodný kameň príliš hlboký, pre normálne fungovanie systému bude potrebné silné čerpadlo, ktoré si vyžaduje zvýšené náklady na energiu. Veľká hĺbka studne spôsobuje vysoké náklady na takéto systémy, takže sa nepoužívajú na zásobovanie malými budovami teplem a chladom. Teraz na svete existuje niekoľko takýchto systémov (v USA a Európe).

Jednou zo sľubných oblastí je použitie vody z baní a tunelov ako zdroja nízkej tepelnej energie. Teplota tejto vody je konštantná počas celého roka. Voda z baní a tunelov je ľahko prístupná.

Schémy rozloženia teploty v pôdnej hmote okolo vertikálneho výmenníka tepla pôdy na začiatku a na konci prvej vykurovacej sezóny [5]

"Stabilita" systémov používajúcich nízke teplo zeme

Počas prevádzky zemného výmenníka tepla môže nastať situácia, kedy v priebehu vykurovacieho obdobia klesá teplota pôdy v blízkosti zemného výmenníka a v lete pôda nemá čas na zahriatie na počiatočnú teplotu - jej teplotný potenciál klesá. Spotreba energie počas ďalšej vykurovacej sezóny spôsobuje rovnomerné zníženie teploty pôdy a jej teplotný potenciál ešte klesá. To robí dizajn systémov používajúcich nízke teplo zeme, aby zvážili problém "udržateľnosti" (udržateľnosti) takýchto systémov.

Často sú intenzívne využívané zdroje energie na zníženie doby návratnosti zariadení, čo môže viesť k ich rýchlemu vyčerpaniu. Preto je potrebné zachovať úroveň výroby energie, ktorá by umožnila dlhodobé využitie zdroja energie. Táto schopnosť systémov dlhodobo udržiavať požadovanú úroveň výroby tepla sa nazýva "udržateľnosť". Pri systémoch s nízkou teplotou tepla zeme sa uvádza nasledujúca definícia trvalej udržateľnosti [1, 4]: "Pre každý systém používajúci nízke množstvo tepla zeme a pre každý režim prevádzky tohto systému existuje určitá maximálna úroveň výroby energie; výroba energie pod touto úrovňou sa môže udržať dlho (100-300 rokov). "

Štúdie INSOLAR-INVEST ukázali, že do konca vykurovacej sezóny spotreba tepelnej energie z pôdneho masívu spôsobuje zníženie potrubia systému zberu tepla, ktoré v pôdno-klimatických podmienkach väčšiny územia Ruska nemá čas na kompenzáciu a od začiatku nasledujúcej vykurovacej sezóny vystupuje zem s nižším teplotným potenciálom. Spotreba tepla počas ďalšej vykurovacej sezóny spôsobuje ďalšie zníženie teploty pôdy a od začiatku tretej vykurovacej sezóny sa jej teplotný potenciál ešte viac líši od prirodzenej teploty. A tak ďalej. Avšak obálky tepelného vplyvu dlhodobej prevádzky systému zberu tepla na prirodzené teplotné podmienky pôdy majú výrazný exponenciálny charakter a do piateho roka prevádzky pôda vstupuje do nového režimu, ktorý je blízky periodickému, tj od piateho roka prevádzky, dlhodobej spotreby tepelnej energie z pôdneho masívu systémy zberu tepla sú sprevádzané periodickými zmenami teploty. Pri navrhovaní systémov tepelných čerpadiel na dodávku tepla sa preto zdá byť potrebné zohľadniť pokles teploty pôdneho masívu spôsobený dlhodobou prevádzkou systému zberu tepla a očakávané využitie pôdnej hmoty očakávanej v 5. roku prevádzky TST ako konštrukčných parametrov [7].

V kombinovaných systémoch, ktoré sa používajú ako na dodávku tepla, tak aj na chladenie, je tepelná bilancia nastavená "automaticky": v zime je potrebná dodávka tepla, v letnom období je chladená zemná hmota (potrebná dodávka tepla). V systémoch, ktoré používajú nízkokvalitné teplo podzemných vôd, dochádza k neustálemu doplňovaniu zásob vody na úkor vody vytekajúcej z povrchu a vody pochádzajúcej z hlbších vrstiev pôdy. Teda obsah tepla v podzemnej vode sa zvyšuje ako "zhora" (vplyvom tepla atmosférického vzduchu), tak aj "zhora" (vplyvom tepla zeme); množstvo tepelných ziskov "zhora" a "zhora" závisí od hrúbky a hĺbky vodonosnosti. Vzhľadom na tieto tepelné zisky zostáva teplota podzemnej vody konštantná počas celej sezóny a počas prevádzky sa mení len veľmi málo.

Pri systémoch s vertikálnymi výmenníkmi tepla je situácia odlišná. Po odstránení tepla sa teplota pôdy okolo tepelného výmenníka pôdy znižuje. Zníženie teploty je ovplyvnené tak dizajnovými charakteristikami výmenníka tepla, ako aj režimom jeho prevádzky. Napríklad v systémoch s vysokým tepelným výkonom (niekoľko desiatok wattov na meter dĺžky výmenníka tepla) alebo v systémoch so zemným výmenníkom umiestneným v pôde s nízkou tepelnou vodivosťou (napríklad v suchom piesku alebo suchom štrku) bude pokles teploty zvlášť viditeľný a môže mať za následok zmraziť zemnú hmotu okolo zemného výmenníka tepla.

Nemeckí odborníci vykonali meranie teploty pôdy, v ktorej je umiestnený vertikálny výmenník tepla 50 m, umiestnený neďaleko od Frankfurtu nad Mohanom. Za týmto účelom bolo 9 vrtov rovnakej hĺbky vyvŕtaných okolo hlavnej studne vo vzdialenosti 2,5, 5 a 10 m. Vo všetkých desiatich studniach boli senzory inštalované každé 2 m na meranie teploty - celkom 240 senzorov. Na obr. 9 znázorňuje diagramy ukazujúce rozloženie teploty v pôdnej hmote okolo vertikálneho výmenníka tepla pôdy na začiatku a na konci prvej vykurovacej sezóny. Na konci vykurovacieho obdobia sa výrazne znižuje teplota pôdnej hmoty okolo výmenníka tepla. Do tepelného výmenníka smeruje tepelný tok z okolitého pôdneho masívu, ktorý čiastočne kompenzuje pokles teploty pôdy spôsobený "extrakciou tepla". V porovnaní s množstvom tepelného toku z vnútra zeme v danej oblasti (80-100 MW / m 2) je hodnota tohto prietoku pomerne vysoká (niekoľko wattov na meter štvorcový).

Vzhľadom na to, že vertikálne výmenníky tepla začali dostávať relatívne širokú distribúciu pred 15 až 20 rokmi, existuje celosvetový nedostatok experimentálnych údajov získaných počas dlhých (niekoľko desaťročí) životnosti systémov s výmenníkmi tepla tohto typu. Vzniká otázka stability týchto systémov, ich spoľahlivosti počas dlhých prevádzkových intervalov. Je nízke potenciálne teplo na Zemi obnoviteľným zdrojom energie? Čo znamená "obnovenie" tohto zdroja?

Pri prevádzkovaní vidieckej školy v oblasti Yaroslavl [2] vybavenej systémom tepelného čerpadla s použitím vertikálneho merača tepla boli priemerné hodnoty špecifického odvodu tepla na úrovni 120-190 W / pog. m dĺžky výmenníka tepla.

Od roku 1986 bol vo Švajčiarsku študovaný systém s vertikálnymi výmenníkmi tepla v blízkosti Zürichu [4]. V zemskej mase bol postavený vertikálny zemný výmenník koaxiálneho typu s hĺbkou 105 m. Tento tepelný výmenník bol použitý ako zdroj nekvalitnej tepelnej energie pre systém tepelných čerpadiel inštalovaný v jednom bytovom obytnom objekte. Vertikálny pozemný výmenník tepla poskytoval maximálny výkon približne 70 W na každý meter dĺžky, čo vytvorilo výrazné tepelné zaťaženie okolitého pôdneho masívu. Ročná produkcia tepelnej energie je približne 13 MW • h.

Vo vzdialenosti 0,5 a 1 m od hlavnej studne boli vyvŕtané dve ďalšie jamky, v ktorých boli inštalované teplotné snímače v hĺbke 1, 2, 5, 10, 20, 35, 50, 65, 85 a 105 m, po ktorých boli jamky naplnené íl-cementová zmes. Teplota sa merala každých tridsať minút. Okrem teploty pôdy boli zaznamenané aj ďalšie parametre: rýchlosť chladiacej kvapaliny, spotreba energie teploty vzduchu v kompresore, atď.

Prvé pozorovacie obdobie trvalo od roku 1986 do roku 1991. Merania ukázali, že vplyv tepla z vonkajšieho a slnečného žiarenia je zaznamenaný v povrchovej vrstve pôdy v hĺbke do 15 m. Pod touto úrovňou sa tepelný režim pôdy tvorí hlavne kvôli teplu zemského vnútra. Počas prvých 2 až 3 rokov prevádzky sa teplota pôdy, ktorá obklopuje vertikálny výmenník tepla, prudko znížila, ale každý rok sa zníženie teploty znížilo a po niekoľkých rokoch systém vstúpil do režimu blízkyho konštantnému, keď sa teplota pôdnej hmoty okolo tepelného výmenníka zmenšila oproti pôvodnému -2 ° C

Na jeseň roku 1996, po desiatich rokoch od začiatku prevádzky systému, sa merania obnovili. Tieto merania ukázali, že teplota pôdy sa výrazne nezmenila. V nasledujúcich rokoch boli zaznamenané mierne fluktuácie teploty pôdy v rozmedzí 0,5 ° C v závislosti od ročného zaťaženia vykurovania. Preto systém po prvých rokoch prevádzky vstúpil do kvázištárneho režimu.

Na základe experimentálnych údajov boli vytvorené matematické modely procesov vyskytujúcich sa v pôdnom masíve, čo umožnilo vypracovať dlhodobú prognózu zmeny teploty pôdneho masívu.

Matematické modelovanie ukázalo, že ročný pokles teploty postupne klesá a každý rok sa zvýši objem pôdnej hmoty okolo tepelného výmenníka pri poklese teploty. Na konci obdobia prevádzky sa začína proces regenerácie: teplota pôdy začína narastať. Charakter procesu regenerácie je podobný charakteru procesu "výberu" tepla: v prvých rokoch prevádzky dochádza k prudkému zvýšeniu teploty pôdy av nasledujúcich rokoch klesá tempo rastu teploty. Doba trvania "regenerácie" závisí od trvania operačného obdobia. Tieto dve obdobia sú približne rovnaké. V tomto prípade bola doba prevádzky pôdneho tepelného výmenníka tridsať rokov a obdobie "regenerácie" sa odhaduje aj na tridsať rokov.

Tepelné a chladiace systémy pre budovy, ktoré používajú nízko tepelné teplo zeme, sú preto spoľahlivým zdrojom energie, ktorý sa dá používať všade. Tento zdroj môže byť použitý dostatočne dlho a môže byť obnovený na konci obdobia prevádzky.

literatúra

1. tepelné čerpadlá Rybach (GHP) v Európe a vo svete; aspekty udržateľnosti GHP. Medzinárodný kurz geotermálnych tepelných čerpadiel, 2002.

2. Vasiliev G. P., Krundyshev N. S. Energeticky úsporná vidiecka škola v oblasti Jaroslavl // AVOK. 2002. № 5.

3. Sanner B. Tepelné zdroje zemného tepla pre tepelné čerpadlá (klasifikácia, vlastnosti, výhody). 2002.

4. Pracovná skupina ORKUSTOFNUN, Island (2001): Udržateľná výroba geotermálnej energie - navrhovaná definícia. IGA správy č. 43. Január - marec 2001. 1-2.

5. Rybach L., Sanner B. Systémy tepelných čerpadiel zemného zdroja - európska skúsenosť. GeoHeatCenter Bull. 21/1, 2000.

6. Vasiliev, G.P. Energeticky úsporné budovy s vykurovacími systémami tepelných čerpadiel // Bývanie a verejné služby. 2002. №12.

7. Usmernenie k používaniu tepelných čerpadiel využívajúcich sekundárne zdroje energie a netradičných obnoviteľných zdrojov energie. Moskomarkhitektura. Štátny jednotný podnik "NIAC", 2001.

8. Energeticky úsporná obytná budova v Moskve // ​​AVOK. 1999. № 4.

9. Vasiliev, GP, energeticky efektívny experimentálny obytný dom v Mikroregióne Nikulino-2, AVOK. 2002. № 4.

Top