Как изменяется температура под землей. Тепло земли
Кирилл Дегтярев, научный сотрудник, Московский государственный университет им. М. В. Ломоносова.
В нашей стране, богатой углеводородами, геотермальная энергия - некий экзотический ресурс, который при сегодняшнем положении дел вряд ли составит конкуренцию нефти и газу. Тем не менее этот альтернативный вид энергии может использоваться практически всюду и довольно эффективно.
Фото Игоря Константинова.
Изменение температуры грунта с глубиной.
Рост температуры термальных вод и вмещающих их сухих пород с глубиной.
Изменение температуры с глубиной в разных регионах.
Извержение исландского вулкана Эйяфьятлайокудль -иллюстрация бурных вулканических процессов, протекающих в активных тектонических и вулканических зонах с мощным тепловым потоком из земных недр.
Установленные мощности геотермальных электростанций по странам мира, МВт.
Распределение геотермальных ресурсов по территории России. Запасы геотермальной энергии, по оценкам экспертов, в несколько раз превышают запасы энергии органического ископаемого топлива. По данным ассоциации «Геотермальное энергетическое общество».
Геотермальная энергия - это тепло земных недр. Вырабатывается оно в глубинах и поступает к поверхности Земли в разных формах и с различной интенсивностью.
Температура верхних слоёв грунта зависит в основном от внешних (экзогенных) факторов - солнечного освещения и температуры воздуха. Летом и днём грунт до определённых глубин прогревается, а зимой и ночью охлаждается вслед за изменением температуры воздуха и с некоторым запаздыванием, нарастающим с глубиной. Влияние суточных колебаний температуры воздуха заканчивается на глубинах от единиц до нескольких десятков сантиметров. Сезонные колебания захватывают более глубокие пласты грунта - до десятков метров.
На некоторой глубине - от десятков до сотен метров - температура грунта держится постоянной, равной среднегодовой температуре воздуха у поверхности Земли. В этом легко убедиться, спустившись в достаточно глубокую пещеру.
Когда среднегодовая температура воздуха в данной местности ниже нуля, это проявляется как вечная (точнее, многолетняя) мерзлота. В Восточной Сибири мощность, то есть толщина, круглогодично мёрзлых грунтов достигает местами 200-300 м.
С некоторой глубины (своей для каждой точки на карте) действие Солнца и атмосферы ослабевает настолько, что на первое место выходят эндогенные (внутренние) факторы и происходит разогрев земных недр изнутри, так что температура с глубиной начинает расти.
Разогрев глубинных слоёв Земли связывают, главным образом, с распадом находящихся там радиоактивных элементов, хотя называют и другие источники тепла, например физико-химические, тектонические процессы в глубоких слоях земной коры и мантии. Но чем бы это ни было обусловлено, температура горных пород и связанных с ними жидких и газообразных субстанций с глубиной растёт. С этим явлением сталкиваются горняки - в глубоких шахтах всегда жарко. На глубине 1 км тридцатиградусная жара - нормальное явление, а глубже температура ещё выше.
Тепловой поток земных недр, достигающий поверхности Земли, невелик - в среднем его мощность составляет 0,03-0,05 Вт/м 2 ,
или примерно 350 Вт·ч/м 2 в год. На фоне теплового потока от Солнца и нагретого им воздуха это незаметная величина: Солнце даёт каждому квадратному метру земной поверхности около 4000 кВт·ч ежегодно, то есть в 10 000 раз больше (разумеется, это в среднем, при огромном разбросе между полярными и экваториальными широтами и в зависимости от других климатических и погодных факторов).
Незначительность теплового потока из недр к поверхности на большей части планеты связана с низкой теплопроводностью горных пород и особенностями геологического строения. Но есть исключения - места, где тепловой поток велик. Это, прежде всего, зоны тектонических разломов, повышенной сейсмической активности и вулканизма, где энергия земных недр находит выход. Для таких зон характерны термические аномалии литосферы, здесь тепловой поток, достигающий поверхности Земли, может быть в разы и даже на порядки мощнее «обычного». Огромное количество тепла на поверхность в этих зонах выносят извержения вулканов и горячие источники воды.
Именно такие районы наиболее благоприятны для развития геотермальной энергетики. На территории России это, прежде всего, Камчатка, Курильские острова и Кавказ.
В то же время развитие геотермальной энергетики возможно практически везде, поскольку рост температуры с глубиной - явление повсеместное, и задача заключается в «добыче» тепла из недр, подобно тому, как оттуда добывается минеральное сырьё.
В среднем температура с глубиной растёт на 2,5-3 о С на каждые 100 м. Отношение разности температур между двумя точками, лежащими на разной глубине, к разности глубин между ними называют геотермическим градиентом.
Обратная величина - геотермическая ступень, или интервал глубин, на котором температура повышается на 1 о С.
Чем выше градиент и соответственно ниже ступень, тем ближе тепло глубин Земли подходит к поверхности и тем более перспективен данный район для развития геотермальной энергетики.
В разных районах, в зависимости от геологического строения и других региональных и местных условий, скорость роста температуры с глубиной может резко различаться. В масштабах Земли колебания величин геотермических градиентов и ступеней достигают 25 крат. Например, в штате Орегон (США) градиент составляет 150 о С на 1 км, а в Южной Африке - 6 о С на 1 км.
Вопрос, какова температура на больших глубинах - 5, 10 км и более? При сохранении тенденции температура на глубине 10 км должна составлять в среднем примерно 250-300 о С. Это более или менее подтверждается прямыми наблюдениями в сверхглубоких скважинах, хотя картина существенно сложнее линейного повышения температуры.
Например, в Кольской сверхглубокой скважине, пробурённой в Балтийском кристаллическом щите, температура до глубины 3 км меняется со скоростью 10 о С/1 км, а далее геотермический градиент становится в 2-2,5 раза больше. На глубине 7 км зафиксирована уже температура 120 о С, на 10 км - 180 o С, а на 12 км - 220 o С.
Другой пример - скважина, заложенная в Северном Прикаспии, где на глубине 500 м зарегистрирована температура 42 o С, на 1,5 км - 70 o С, на 2 км - 80 o С, на 3 км - 108 o С.
Предполагается, что геотермический градиент уменьшается начиная с глубины 20-30 км: на глубине 100 км предположительные температуры около 1300-1500 o С, на глубине 400 км - 1600 o С, в ядре Земли (глубины более 6000 км) - 4000-5000 o С.
На глубинах до 10-12 км температуру измеряют через пробурённые скважины; там же, где их нет, её определяют по косвенным признакам так же, как и на бóльших глубинах. Такими косвенными признаками могут быть характер прохождения сей-смических волн или температура изливающейся лавы.
Впрочем, для целей геотермальной энергетики данные о температурах на глубинах более 10 км пока не представляют практического интереса.
На глубинах в несколько километров много тепла, но как его поднять? Иногда эту задачу решает за нас сама природа с помощью естественного теплоносителя - нагретых термальных вод, выходящих на поверхность или же залегающих на доступной для нас глубине. В ряде случаев вода в глубинах разогрета до состояния пара.
Строгого определения понятия «термальные воды» нет. Как правило, под ними подразумевают горячие подземные воды в жидком состоянии или в виде пара, в том числе выходящие на поверхность Земли с температурой выше 20 о С, то есть, как правило, более высокой, чем температура воздуха.
Тепло подземных вод, пара, пароводяных смесей - это гидротермальная энергия. Соответственно энергетика, основанная на её использовании, называется гидротермальной.
Сложнее обстоит дело с добычей тепла непосредственно сухих горных пород - петротермальной энергии, тем более что достаточно высокие температуры, как правило, начинаются с глубин в несколько километров.
На территории России потенциал петротермальной энергии в сто раз выше, чем у гидротермальной, - соответственно 3500 и 35 трлн тонн условного топлива. Это вполне естественно - тепло глубин Земли имеется везде, а термальные воды обнаруживаются локально. Однако из-за очевидных технических трудностей для получения тепла и электроэнергии в настоящее время используются большей частью термальные воды.
Воды температурой от 20-30 до 100 о С пригодны для отопления, температурой от 150 о С и выше - и для выработки электроэнергии на геотермальных электростанциях.
В целом же геотермальные ресурсы на территории России в пересчёте на тонны условного топлива или любую другую единицу измерения энергии примерно в 10 раз выше запасов органического топлива.
Теоретически только за счёт геотермальной энергии можно было бы полностью удовлетворить энергетические потребности страны. Практически же на данный момент на большей части её территории это неосуществимо по технико-экономическим соображениям.
В мире использование геотермальной энергии ассоциируется чаще всего с Исландией - страной, расположенной на северном окончании Срединно-Атлантического хребта, в исключительно активной тектонической и вулканической зоне. Наверное, все помнят мощное извержение вулкана Эйяфьятлайокудль (Eyjafjallajökull) в 2010 году.
Именно благодаря такой геологической специфике Исландия обладает огромными запасами геотермальной энергии, в том числе горячих источников, выходящих на поверхность Земли и даже фонтанирующих в виде гейзеров.
В Исландии в настоящее время более 60% всей потребляемой энергии берут из Земли. В том числе за счёт геотермальных источников обеспечивается 90% отопления и 30% выработки электроэнергии. Добавим, что остальная часть электроэнергии в стране производится на ГЭС, то есть также с использованием возобновляемого источника энергии, благодаря чему Исландия выглядит неким мировым экологическим эталоном.
«Приручение» геотермальной энергии в XX веке заметно помогло Исландии в экономическом отношении. До середины прошлого столетия она была очень бедной страной, сейчас занимает первое место в мире по установленной мощности и производству геотермальной энергии на душу населения и находится в первой десятке по абсолютной величине установленной мощности геотермальных электростанций. Однако её население составляет всего 300 тысяч человек, что упрощает задачу перехода на экологически чистые источники энергии: потребности в ней в целом невелики.
Помимо Исландии высокая доля геотермальной энергетики в общем балансе производства электроэнергии обеспечивается в Новой Зеландии и островных государствах Юго-Восточной Азии (Филиппины и Индонезия), странах Центральной Америки и Восточной Африки, территория которых также характеризуется высокой сейсмической и вулканической активностью. Для этих стран при их нынешнем уровне развития и потребностях геотермальная энергетика вносит весомый вклад в социально-экономическое развитие.
(Окончание следует.)
Представьте себе дом, в котором всегда поддерживается комфортная температура, а систем обогрева и охлаждения не видно. Эта система работает эффективно, но не требует сложного обслуживания или специальных знаний от владельцев.
Свежий воздух, Вы можете слышать щебетание птиц и ветер, лениво играющий листьями на деревьях. Дом получает энергию с земли, подобно листьям, которые получают энергию от корней. Прекрасная картина, не так ли?
Системы геотермального нагревания и охлаждения делают эту картину реальностью. Геотермальная НВК система (нагревание, вентиляция и кондиционирование) использует температуру земли, чтобы обеспечить нагревание зимой и охлаждение летом.
Как работает геотермальное нагревание и охлаждение
Температура окружающей среды меняется вместе со сменой пор года, но подземная температура меняется не так существенно благодаря изолирующим свойствам земли. На глубине 1,5-2 метра температура остается относительно постоянной круглый год. Геотермальная система, как правило, состоит из внутреннего оборудования для обработки, подземной системы труб, называемой подземной петлей, и/или насоса для циркуляции воды. Система использует постоянную температуру земли, чтобы обеспечить «чистую и бесплатную» энергию.
(Не путайте понятие геотермальной НВК системы с «геотермальной энергией» - процессом, при котором электричество производится непосредственно из высокой температуры в земле. В последнем случае используется оборудование другого типа и другие процессы, целью которых обычно является нагревание воды до температуры кипения.)
Трубы, которые составляют подземную петлю, обычно делаются из полиэтилена и могут быть расположены под землей горизонтально или вертикально, в зависимости от особенностей местности. Если доступен водоносный слой, то инженеры могут спроектировать систему «разомкнутого контура», для этого необходимо пробурить скважину к грунтовым водам. Вода выкачивается, проходит через теплообменник, и затем закачивается в тот же водоносный слой посредством «повторного закачивания».
Зимой вода, проходя через подземную петлю, поглощает тепло земли. Внутреннее оборудование дополнительно повышает температуру и распределяет ее по всему зданию. Это похоже на кондиционер, работающий наоборот. Летом геотермальная НВК система забирает воду с высокой температурой из здания и несет ее через подземную петлю/насос к скважине повторного закачивания, откуда вода попадает в более прохладную землю/водоносный слой.
В отличие от обычных систем нагревания и охлаждения, геотермальные НВК системы не используют ископаемое топливо, чтобы выработать тепло. Они просто берут высокую температуру из земли. Как правило, электроэнергия используется только для работы вентилятора, компрессора и насоса.
В геотермальной системе охлаждения и отопления есть три главных компонента: тепловой насос, жидкая среда теплообмена (разомкнутая или замкнутая система) и система подачи воздуха (система труб).
Для геотермальных тепловых насосов, а также для всех остальных типов тепловых насосов, было измерено соотношение их полезного действия к затраченной для этого действия энергии (КПД). Большинство геотермальных систем тепловых насосов имеют КПД от 3.0 до 5.0. Это означает, что одну единицу энергии система преобразует в 3-5 единиц тепла.
Геотермальные системы не требуют сложного обслуживания. Правильно установленная, что очень важно, подземная петля может исправно служить в течение нескольких поколений. Вентилятор, компрессор и насос размещены в закрытом помещении и защищены от переменчивых погодных условий, таким образом, их срок эксплуатации может длиться много лет, часто десятилетий. Обычные периодические проверки, своевременная замена фильтра и ежегодная очистка катушки являются единственным необходимым обслуживанием.
Опыт использования геотермальных НВК систем
Геотермальные НВК системы используются уже больше 60 лет во всем мире. Они работают с природой, а не против нее, и они не выделяют парниковых газов (как отмечалось ранее, они используют меньше электричества, потому что используют постоянную температуру земли).
Геотермальные НВК системы все чаще становятся атрибутами экологичных домов, как часть набирающего популярность движения зеленого строительства. Зеленые проекты составили 20 процентов всех построенных домов в США за прошлый год. В одной из статей в Wall Street Journal говорится о том, что к 2016 году бюджет зеленого строительства вырастет от 36 миллиардов долларов в год до 114 миллиардов. Это составит 30-40 процентов всего рынка недвижимости.
Но большая часть информации о геотермальном нагревании и охлаждении основана на устаревших данных или необоснованных мифах.
Разрушение мифов о геотермальных НВК системах
1. Геотермальные НВК системы не являются возобновляемой технологией, потому что они используют электричество.
Факт: Геотермальные НВК системы используют только одну единицу электричества, чтобы произвести до пяти единиц охлаждения или нагревания.
2. Солнечная энергия и энергия ветра являются более благоприятными возобновляемыми технологиями по сравнению с геотермальными НВК системами.
Факт: Геотермальные НВК системы за один доллар перерабатывают в четыре раза больше киловатт/часов, чем энергия солнца или ветра вырабатывает за тот же доллар. Эти технологии могут, конечно, играть важную роль для экологии, но геотермальная НВК система зачастую является самым эффективным и экономным способом уменьшить воздействие на окружающую среду.
3. Для геотермальной НВК системы требуется много места, чтобы разместить полиэтиленовые трубы подземной петли.
Факт: В зависимости от особенностей местности, подземная петля может быть расположена вертикально, что означает необходимость в небольшой наземной поверхности. Если же есть доступный водоносный слой, то нужно всего несколько квадратных футов на поверхности. Заметьте, что вода возвращается в тот же водоносный слой, из которого она и была взята, после того, как прошла через теплообменник. Таким образом, вода не является стоковой и не загрязняет водоносный слой.
4. Геотермальные тепловые насосы НВК являются шумными.
Факт: Системы работают очень тихо, и снаружи нет никакого оборудования, чтобы не беспокоить соседей.
5. Геотермальные системы в конечном итоге «стираются».
Факт: Подземные петли могут служить в течение нескольких поколений. Оборудование теплообмена, как правило, служит десятилетиями, так как оно защищено в закрытом помещении. Когда наступает момент необходимой замены оборудования, стоимость такой замены намного меньше новой геотермальной системы, поскольку подземная петля и скважина являются ее самыми дорогими частями. Новые технические решения устраняют проблему задержки тепла в земле, таким образом, система может производить обмен температур в неограниченном количестве. В прошлом были случаи неправильно рассчитанных систем, которые действительно перегревали или переохлаждали землю до такой степени, что больше не было температурного различия, необходимого для работы системы.
6. Геотермальные НВК системы работают только для нагрева.
Факт: Они работают столь же эффективно и на охлаждение и могут быть спроектированы таким образом, чтобы не было необходимости в дополнительном резервном источнике тепла. Хотя некоторые клиенты решают, что экономически более выгодно иметь небольшую резервную систему для самых холодных времен. Это означает, что их подземная петля будет меньше и, соответственно, дешевле.
7. Геотермальные НВК системы не могут одновременно нагреть воду для бытовых целей, нагреть воду в бассейне и обогреть дом.
Факт: Системы могут быть спроектированы таким образом, чтобы выполнять много функций одновременно.
8. Геотермальные НВК системы загрязняют землю хладагентами.
Факт: Большинство систем использует в петлях только воду.
9. Геотермальные НВК системы используют много воды.
Факт: Геотермальные системы фактически не потребляют воду. Если для обмена температуры используется подземные воды, то вся вода возвращается в тот же водоносный слой. В прошлом действительно использовались некоторые системы, которые тратили впустую воду после того, как она проходила через теплообменник, но такие системы сегодня почти не используются. Если посмотреть на вопрос с коммерческой точки зрения, то геотермальные НВК системы фактически экономят миллионы литров воды, которые бы испарялись в традиционных системах.
10. Геотермальная НВК технология финансово не выполнима без государственных и региональных налоговых льгот.
Факт: Государственные и региональные льготы, как правило, составляют от 30 до 60 процентов совокупной стоимости геотермальной системы, что может зачастую снизить ее начальную цену практически до уровня цен на обычное оборудование. Стандартные воздушные системы НВК стоят приблизительно 3,000 долларов за тонну тепла или холода (дома обычно используют от одной до пяти тонн). Цена геотермальных НВК систем составляет приблизительно от 5,000 долларов за тонну до 8,000-9,000. Однако новые методы установки значительно уменьшают затраты, вплоть до цен на обычные системы.
Уменьшить стоимость также можно за счет скидок на оборудование для общественного или коммерческого использования, или даже при крупных заказах бытового характера (особенно от крупных брендов, таких как Bosch, Carrier и Trane). Разомкнутые контуры, при использовании насоса и скважины повторной закачки, являются более дешевыми в установке, чем замкнутые системы.
По материалам: energyblog.nationalgeographic.com
Это могло бы показаться фантастикой, если бы не было правдой. Оказывается, в суровых сибирских условиях можно получать тепло прямо из земли. Первые объекты с геотермальными системами отопления появились в Томской области в прошлом году, и хотя они позволяют снизить себестоимость тепла по сравнению с традиционными источниками примерно в четыре раза, массового хождения «под землю» пока нет. Но тренд заметен и главное - набирает обороты. По сути, это наиболее доступный альтернативный источник энергии для Сибири, где не всегда могут показать свою эффективность, например, солнечные батареи или ветряные генераторы. Геотермальная энергия, по сути, просто лежит у нас под ногами.
«Глубина промерзания грунта составляет 2–2,5 метра. Температура земли ниже этой отметки остается одинаковой и зимой и летом в диапазоне от плюс одного до плюс пяти градусов Цельсия. Работа теплового насоса построена на этом свойстве, - говорит энергетик управления образования администрации Томского района Роман Алексеенко . - В земляной контур на глубину 2,5 метра закапывают сообщающиеся трубы, на расстоянии примерно полутора метров друг от друга. В системе труб циркулирует теплоноситель - этиленгликоль. Внешний горизонтальный земляной контур сообщается с холодильной установкой, в которой циркулирует хладагент - фреон, газ с низкой температурой кипения. При плюс трех градусах Цельсия этот газ начинает закипать, и когда компрессор резко сжимает кипящий газ, температура последнего возрастает до плюс 50 градусов Цельсия. Нагретый газ направляется в теплообменник, в котором циркулирует обычная дистиллированная вода. Жидкость нагревается и разносит тепло по всей системе отопления, уложенной в полу».
Чистая физика и никаких чудес
Детский сад, оборудованный современной датской системой геотермального отопления открылся в поселке Турунтаево под Томском летом прошлого года. По словам директора томской компании «Экоклимат» Георгия Гранина , энергоэффективная система позволила в несколько раз снизить плату за теплоснабжение. За восемь лет это томское предприятие уже оснастило геотермальными системами отопления около двухсот объектов в разных регионах России и продолжает заниматься этим в Томской области. Так что в словах Гранина сомневаться не приходится. За год до открытия садика в Турунтаево «Экоклимат» оборудовал системой геотермального отопления, которая обошлась в 13 млн рублей, еще один детский сад «Солнечный зайчик» в микрорайоне Томска «Зеленые горки». По сути это был первый опыт такого рода. И он оказался вполне успешным.
Еще в 2012 году в ходе визита в Данию, организованного по программе Евро Инфо Корреспондентского Центра (ЕИКЦ-Томская область), компании удалось договориться о сотрудничестве с датской компанией Danfoss. А сегодня датское оборудование помогает добывать тепло из томских недр, и, как говорят без лишней скромности специалисты, получается довольно эффективно. Основной показатель эффективности - экономичность. «Отопительная система здания детского сада площадью 250 квадратных метров в Турунтаево обошлась в 1,9 миллиона рублей, - говорит Гранин. - А плата за отопление составляет 20–25 тысяч рублей в год». Эта сумма несопоставима с той, которую садик платил бы за тепло, используя традиционные источники.
Система без проблем проработала в условиях сибирской зимы. Был произведен расчет соответствия теплового оборудования нормам СанПиН, по которым оно должно поддерживать в здании детского сада температуру не ниже +19°C при температуре наружного воздуха -40°C. Всего на перепланировку, ремонт и переоборудование здания было затрачено около четырех миллионов рублей. Вместе с тепловым насосом сумма составила чуть меньше шести миллионов. Благодаря тепловым насосам сегодня отопление детского сада представляет собой полностью изолированную и независимую систему. В здании теперь нет традиционных батарей, а отопление помещения реализуется при помощи системы «теплый пол».
Турунтаевский садик утеплен, что называется, «от» и «до» - в здании обустроена дополнительная теплоизоляция: поверх существующей стены (толщиной в три кирпича) установлен 10-сантиметровый слой утеплителя, эквивалентный двум–трем кирпичам. За утеплителем находится воздушная прослойка, а следом - металлический сайдинг. Таким же образом утеплена и крыша. Основное внимание строителей сосредоточилось на «теплом полу» - системе отопления здания. Получилось несколько слоев: бетонный пол, слой пенопласта толщиной 50 мм, система труб, в которых циркулирует горячая вода и линолеум. Несмотря на то, что температура воды в теплообменнике может достигать +50°C, максимальный нагрев фактического напольного покрытия не превышает +30°C. Фактическая температура каждой комнаты может регулироваться вручную - автоматические датчики позволяют устанавливать температуру пола таким образом, чтобы помещение детского сада прогревалось до положенных санитарными нормами градусов.
Мощность насоса в Турунтаевском садике составляет 40 кВт вырабатываемой тепловой энергии, для производства которых тепловому насосу требуется 10 кВт электрической мощности. Таким образом, из 1 кВт потребляемой электрической энергии тепловой насос производит 4 кВт тепловой. «Мы немного боялись зимы - не знали, как поведут себя тепловые насосы. Но даже в сильные морозы в садике было стабильно тепло - от плюс 18 до 23 градусов Цельсия, - говорит директор Турунтаевской средней школы Евгений Белоногов . - Конечно, здесь стоит учесть, что и само здание было хорошо утеплено. Оборудование неприхотливо в обслуживании, и несмотря на то, что это разработка западная, в наших суровых сибирских условиях она показала себя довольно эффективно».
Комплексный проект по обмену опытом в сфере ресурсосбережения был реализован ЕИКЦ-Томская область Томской ТПП. Его участниками стали малые и средние предприятия, разрабатывающие и внедряющие ресурсосберегающие технологии. В мае прошлого года в рамках российско-датского проекта Томск посетили датские эксперты, и результат получился, что называется, налицо.
Инновации приходят в школу
Новая школа в селе Вершинино Томского района, построенная фермером Михаилом Колпаковым , - это третий объект в области, использующей в качестве источника тепла для отопления и горячего водоснабжения тепло земли. Школа уникальна еще и потому, что имеет наивысшую категорию энергоэффективности - «А». Систему отопления спроектировала и запустила все та же компания «Экоклимат».
«Когда мы принимали решение, какое отопление сделать в школе, у нас было несколько вариантов - угольная котельная и тепловые насосы, - говорит Михаил Колпаков. - Мы изучили опыт энергоэффективного детского сада в Зеленых Горках и посчитали, что отопление по старинке, на угле, нам обойдется более чем в 1,2 миллиона рублей за зиму, да еще и горячая вода нужна. А с тепловыми насосами затраты составят около 170 тысяч за весь год, вместе с горячей водой».
Для производства тепла системе необходимо только электричество. Потребляя 1 кВт электроэнергии, тепловые насосы в школе производят около 7 кВт тепловой энергии. Кроме того, в отличие от угля и газа, тепло земли - самовозобновляемый источник энергии. Установка современной отопительной системы школе обошлась примерно в 10 млн рублей. Для этого на территории школы пробурили 28 скважин.
«Арифметика здесь простая. Мы посчитали, что обслуживание угольной котельной, с учетом зарплаты истопнику и стоимости топлива, в год обойдется более чем в миллион рублей, - отмечает начальник управления образования Сергей Ефимов . - При использовании тепловых насосов придется платить за все ресурсы около пятнадцати тысяч рублей в месяц. Несомненные плюсы использования тепловых насосов - это их экономичность и экологичность. Система теплоснабжения позволяет регулировать подачу тепла в зависимости от погоды на улице, что исключает так называемые «недотопы» или «перетопы» помещения».
По предварительным расчетам, дорогостоящее датское оборудование окупит себя за четыре–пять лет. Срок службы тепловых насосов компании Danfoss, с которыми работает ООО «Экоклимат», - 50 лет. Получая информацию о температуре воздуха на улице, компьютер определяет, когда греть школу, а когда можно этого не делать. Поэтому вопрос о дате включения и отключения отопления отпадает вообще. Независимо от погоды за окнами внутри школы для детей всегда будет работать климат-контроль.
«Когда в прошлом году на общероссийское совещание приехал чрезвычайный и полномочный посол королевства Дании и посетил наш детский сад в «Зеленых Горках», он был приятно удивлен, что те технологии, которые даже в Копенгагене считаются инновационными, применены и работают в Томской области, - говорит коммерческий директор компании «Экоклимат» Александр Гранин .
В целом использование местных возобновляемых источников энергии в различных отраслях экономики, в данном случае в социальной сфере, куда относятся школы и детские сады, - одно из основных направлений, реализуемых в регионе в рамках программы по энергосбережению и повышению энергетической эффективности. Развитие возобновляемой энергетики активно поддерживает губернатор региона Сергей Жвачкин . И три бюджетных учреждения с системой геотермального отопления - лишь первые шаги по реализации большого и перспективного проекта.
Детский сад в «Зеленых Горках» на конкурсе в Сколково был признан лучшим энергоэффективным объектом России. Затем появилась Вершининская школа с геотермальным отоплением также наивысшей категории энергоэффективности. Следующий объект, не менее значимый для Томского района, - детский сад в Турунтаево. В нынешнем году компании «Газхимстройинвест» и «Стройгарант» уже приступили к строительству детских садов на 80 и 60 мест в поселках Томского района Копылово и Кандинке соответственно. Оба новых объекта будут отапливаться геотермальными системами отопления - от тепловых насосов. Всего в этом году на строительство новых садиков и ремонт существующих районная администрация намерена израсходовать почти 205 млн рублей. Предстоит реконструкция и переоборудование здания под детский сад в селе Тахтамышево. В этом здании отопление также будет реализовано посредством тепловых насосов, поскольку система успела себя хорошо зарекомендовать.
В вертикальных коллекторах отбирается энергия из земли с помощью геотермальных земляных зондов. Это закрытые системы со скважинами диаметром 145-150мм и глубиной от 50 до 150м, по которым прокладываются трубы. На конце трубопровода инсталлируется возвратное U колено. Обычно установка осуществляется с помощью одноконтурного зонда с трубами 2x d40 («шведская система»), или двухконтурного зонда с трубами 4x d32. Двухконтурные зонды должны достигать на 10-15% больший отбор тепла. При скважинах глубже чем 150 м нужно использовать трубы 4xd40 (для понижения потери давления).
В настоящее время большая часть скважин для отбора тепла земли имеет глубину 150 м. На большей глубине можно получить больше тепла, но при этом затраты на такие скважины будут очень высоки. Поэтому важно заранее просчитать затраты на установку вертикального коллектора в сравнении с предполагаемой экономией в будущем. В случае инсталляции системы активно-пассивного охлаждения более глубокие скважины не делают из-за высшей температуры в почве и более низком потенциале в момент отдачи тепла из раствора окружающей среде. В системе циркулирует незамерзающая смесь (спирт, глицерин, гликоль), разбавленная водой до нужной консистенции незамерзания. В тепловом насосе отдает тепло, отобранное у земли, хладагенту. Температура земли на глубине 20 м примерно 10°C, и растет каждые 30м на 1°C. На нее не оказывают влияние климатические условия, и поэтому можно рассчитывать на качественный отбор энергии и зимой и летом. Нужно добавить, что температура в земле немного отличается в начале сезона (сентябрь-октябрь) от температуре в конце сезона (март-апрель). Поэтому необходимо учитывать при расчете глубины вертикальных коллекторов длину отопительного сезона в месте инсталляции.
При отборе тепла с помощью геотермальных вертикальных зондов очень важным являются правильные расчеты и конструкция коллекторов. Для проведения грамотных расчетов необходимо знать, возможно ли бурение в месте инсталляции до желаемой глубины.
Для теплового насоса мощностью 10kW необходимо примерно 120-180 m скважины. Скважины должна быть размещены минимум 8м друг от друга. Количество и глубина скважин зависит от геологических условий, наличие подземных вод, способности почвы удерживать тепло и технологии бурения. При бурении нескольких скважин общая желаемая длина скважины разделится на количество скважин.
Преимуществом вертикального коллектора перед горизонтальным является меньший участок земли для использования, более стабильный источник тепла, и независимость источника тепла на погодных условиях. Минусом вертикальных коллекторов являются высокие затраты на земляные работы и постепенное охлаждение земли возле коллектора (необходимы грамотные расчеты необходимой мощности при проектировании).
Расчет необходимой глубины скважин
Информация,необходимая для предварительного расчета глубины и количества скважин:
Мощность теплового насоса
Выбранный тип отопления - «теплые полы», радиаторы, комбинированное
Предполагаемое количество часов эксплуатации теплового насоса за год, покрытие потребности в энергии
Место инсталляции
Использование геотермальной скважины - отопление, обогрев ГВС, сезонный подогрев бассейна, круглогодичный подогрев бассейна
Использование функции пассивного (активного) охлаждения в объекте
Общее годовое потребление тепла для отопления (MВ/час)
Поверхностный слой почвы Земли - это естественный тепловой аккумулятор. Главный источник тепловой энергии, поступающей в верхние слои Земли - солнечная радиация. На глубине около 3 м и более (ниже уровня промерзания) температура почвы в течение года практически не меняется и примерно равна среднегодовой температуре наружного воздуха. На глубине 1,5-3,2 м зимой температура составляет от +5 до + 7 ° С, а летом от +10 до + 12 ° С. Этим теплом можно зимой не допустить замерзания дома, а летом не дать ему перегреться выше 18-20 ° С
Самым простым способом использования тепла земли является использование почвенного теплообменника (ПТО). Под землей, ниже уровня промерзания грунта, укладывается система воздуховодов, которые выполняют функцию теплообменника между землей и воздухом, который проходит по этих воздуховодах. Зимой входящий холодный воздух, который поступает в и проходит по трубам - нагревается, а летом - охлаждается. При рациональном размещении воздуховодов можно отбирать из почвы значительное количество тепловой энергии с небольшими затратами электроэнергии.
Можно использовать теплообменник «труба в трубе». Внутренние воздуховоды из нержавеющей стали выступают здесь в роли рекуператоров.
Охлаждение в летний период
В теплое время года грунтовый теплообменник обеспечивает охлаждение приточного воздуха. Наружный воздух поступает через воздухозаборное устройство в грунтовый теплообменник, где охлаждается за счет грунта. Затем охлажденный воздух подается воздуховодами в приточно-вытяжную установку, в которой на летний период вместо рекуператора установлена летняя вставка. Благодаря такому решению, происходит снижение температуры в помещениях, улучшается микроклимат в доме, снижаются затраты электроэнергии на кондиционирование.Работа в межсезонье
Когда разница между температурой наружного и внутреннего воздуха небольшая, подачу свежего воздуха можно осуществлять через приточную решетку, размещенную на стене дома в надземной части. В тот период, когда разница существенная, подачу свежего воздуха можно осуществлять через ПТО, обеспечивая подогрев / охлаждение приточного воздуха.Экономия в зимний период
В холодное время года наружный воздух поступает через воздухозаборное устройство в ПТО, где прогревается и затем поступает в приточно-вытяжную установку для нагрева в рекуператоре. Предварительный нагрев воздуха в ПТО снижает вероятность обледенения рекуператора приточно-вытяжной установки, увеличивая эффективное время использования рекуперации и минимизирует затраты на дополнительный нагрев воздуха в водяном / электрическом нагревателе.Как рассчитываются затраты на подогрев и охлаждение воздуха
Можно предварительно подсчитать затраты на нагрев воздуха в зимний период для помещения, куда поступает воздух при нормативе 300 м3 / час. В зимний период среднесуточная температура в течение 80 дней составляет -5 ° С - ее нужно подогреть до + 20 ° С. Для нагрева такого количества воздуха нужно затрачивать 2,55 кВт в час (при отсутствии системы утилизации тепла). При использовании геотермальной системы происходит подогрев наружного воздуха до +5 и тогда на догрев входящего воздуха к комфортному уходит 1,02 кВт. Еще лучше ситуация при использовании рекуперации - надо затрачивать только 0,714 кВт. За период 80 дней будет потрачено соответственно 2448 кВт * ч тепловой энергии, а геотермальные системы снизят затраты на 1175 или 685 кВт * ч.
В межсезонье в течение 180 дней среднесуточная температура составляет + 5 ° С - ее нужно подогреть до + 20 ° С. Плановые расходы составляют 3305 кВт * ч, а геотермальные системы снизят затраты на 1322 или 1102 кВт * ч.
В летний период в течение 60 дней среднесуточная температура около + 20 ° С, но в течение 8 часов она находится в пределах + 26 ° С. Затраты для охлаждения составят 206 кВт * ч, а геотермальная система снизит затраты на 137 кВт * ч.
На протяжении года работу такой геотермальной системы оценивают с помощью коэффициента - SPF (фактор сезонной мощности), который определяется как отношение количества полученной тепловой энергии к количеству потребленной электрической с учетом сезонных изменений температуры воздуха/грунта.
Для получения от грунта 2634 кВт·ч тепловой мощности в год вентиляционной установкой тратится 635 кВт·ч электроэнергии.
SPF = 2634/635 = 4,14.
По материалам.