Vertikalni kolektorji pridobivajo energijo iz zemlje s pomočjo geotermalnih zemeljskih sond. Gre za zaprte sisteme z vrtinami premera 145-150 mm in globine 50 do 150 m, skozi katere so položene cevi. Na koncu cevovoda je nameščeno povratno U koleno. Običajno se montaža izvaja z uporabo enokrožne sonde s cevmi 2x d40 (»švedski sistem«) ali dvokrožne sonde s cevmi 4x d32. Dvokrožne sonde bi morale doseči 10-15% večji odjem toplote. Za vrtine, globlje od 150 m, je treba uporabiti cevi 4xd40 (za zmanjšanje izgube tlaka).

Trenutno ima večina vrtin za pridobivanje toplote iz zemlje globino 150 m. Na večjih globinah je mogoče dobiti več toplote, vendar bodo stroški takšnih vrtin zelo visoki. Zato je pomembno vnaprej izračunati stroške vgradnje vertikalnega kolektorja v primerjavi s pričakovanimi prihranki v prihodnosti. V primeru vgradnje aktivno-pasivnega sistema hlajenja se zaradi višje temperature v zemljini in nižjega potenciala v času prenosa toplote iz raztopine v okolje ne izvajajo globlje vrtine. V sistemu kroži mešanica proti zmrzovanju (alkohol, glicerin, glikol), razredčena z vodo do želene konsistence proti zmrzovanju. V toplotni črpalki prenaša toploto tal na hladilno sredstvo. Temperatura zemlje v globini 20 m je približno 10 °C in se vsakih 30 m poveča za 1 °C. Nanjo ne vplivajo podnebne razmere, zato lahko računate na kakovosten izbor energije tako pozimi kot poleti. Dodati je treba, da se temperatura v tleh na začetku sezone (september-oktober) nekoliko razlikuje od temperature ob koncu sezone (marec-april). Zato je pri izračunu globine vertikalnih kolektorjev potrebno upoštevati dolžino ogrevalne sezone na mestu vgradnje.

Pri zbiranju toplote z geotermalnimi vertikalnimi sondami so zelo pomembni pravilni izračuni in načrtovanje kolektorjev. Za izvedbo kompetentnih izračunov morate vedeti, ali je na mestu namestitve mogoče vrtati do želene globine.

Za toplotno črpalko z močjo 10kW je potrebnih cca 120-180 m vodnjaka. Vodnjaki naj bodo nameščeni na razdalji vsaj 8 m drug od drugega. Število in globina vrtin je odvisna od geoloških razmer, razpoložljivosti podzemne vode, sposobnosti tal za zadrževanje toplote in tehnologije vrtanja. Pri vrtanju več vrtin bo skupna želena dolžina vrtin deljena s številom vrtin.

Prednost vertikalnega kolektorja pred horizontalnim je manjša površina za uporabo, stabilnejši vir toplote in neodvisnost vira toplote od vremenskih razmer. Pomanjkljivost vertikalnih kolektorjev je visoka cena izkopnih del in postopno ohlajanje zemlje v bližini kolektorja (pri projektiranju so potrebni pravilni izračuni potrebne moči).

Izračun zahtevane globine vodnjaka

Informacije, potrebne za predhodni izračun globine in števila vrtin:

Moč toplotne črpalke

Izbrana vrsta ogrevanja - "topla tla", radiatorji, kombinirano

Predvideno število obratovalnih ur toplotne črpalke na leto, ki pokriva potrebe po energiji

Lokacija namestitve

Uporaba geotermalne vrtine - ogrevanje, ogrevanje sanitarne vode, sezonsko ogrevanje bazena, celoletno ogrevanje bazena

Uporaba funkcije pasivnega (aktivnega) hlajenja v objektu

Skupna letna poraba toplote za ogrevanje (MW/h)

Temperatura se spreminja z globino. Zaradi neenakomerne oskrbe s sončno toploto se zemeljsko površje včasih segreje, včasih pa ohlaja. Ta temperaturna nihanja zelo plitvo prodrejo v globino Zemlje. Tako dnevna nihanja na globini 1 m ponavadi jih skoraj ne čutijo več. Kar zadeva letna nihanja, prodrejo v različne globine: v toplih državah za 10-15 m, v državah s hladnimi zimami in vročimi poletji pa do 25-30 in celo 40 m. Globlje 30-40 mŽe povsod na Zemlji temperatura ostaja nespremenjena. Na primer, termometer, postavljen v kleti pariškega observatorija, je že več kot 100 let vedno pokazal 11°,85C.

Plast s konstantno temperaturo je opazna po vsem svetu in se imenuje pas konstantne ali nevtralne temperature. Globina tega pasu se spreminja glede na podnebne razmere, temperatura pa je približno enaka povprečni letni temperaturi določenega kraja.

Ko gremo globlje v Zemljo pod plast konstantne temperature, običajno opazimo postopno naraščanje temperature. To so prvi opazili delavci v globokih rudnikih. To se je opazilo tudi pri polaganju predorov. Na primer, pri polaganju predora Simplon (v Alpah) se je temperatura dvignila na 60 °, kar je povzročilo precejšnje težave pri delu. Še višje temperature opazimo v globokih vrtinah. Primer je vodnjak Chukhovskaya (Zgornja Šlezija), v katerem je na globini 2220 m temperatura je bila nad 80° (83°, 1) itd. Na podlagi številnih opazovanj na različnih mestih na Zemlji je bilo mogoče ugotoviti, da je v povprečju s poglabljanjem vsakih 33. m temperatura se dvigne za 1°C.

Število metrov, ki jih morate iti globlje v Zemljo, da se temperatura dvigne za 1 °C, se imenuje geotermalni korak. Geotermalna stopnja v različnih primerih ni enaka in se največkrat giblje od 30 do 35 m. V nekaterih primerih so lahko ta nihanja večja. Na primer, v zvezni državi Michigan (ZDA), v eni od vrtin v bližini jezera. Michigan, geotermalni oder se je izkazalo, da ni 33, ampak 70 m. Nasprotno, zelo majhen geotermalni korak je bil opažen v eni od vrtin v Mehiki, tam na globini 670 m pojavila se je voda s temperaturo 70°. Tako se je izkazalo, da je geotermalna stopnja le približno 12 m. Majhne geotermalne korake opazimo tudi na vulkanskih območjih, kjer so lahko v majhnih globinah še neohlajene plasti magmatskih kamnin. Toda vsi takšni primeri niso toliko pravila kot izjeme.

Obstaja veliko razlogov, ki vplivajo na geotermalno stopnjo. (Poleg navedenega lahko izpostavimo različno toplotno prevodnost kamnin, naravo pojavljanja plasti itd.

Velik pomen pri porazdelitvi temperatur ima teren. Slednje je lepo razvidno iz priložene risbe (slika 23), ki prikazuje prerez Alp vzdolž črte Simplonovega predora s pikčastimi geoizotermami (tj. črtami enakih temperatur znotraj Zemlje). Geoizoterme tu navidezno sledijo reliefu, z globino pa se vpliv reliefa postopoma zmanjšuje. (Močan ovinek geoizoterm pri Balleju navzdol je posledica močnega kroženja vode, ki ga opazimo tukaj.)

Temperatura Zemlje v velikih globinah. Opazovanja temperatur v vrtinah, katerih globina redko presega 2-3 km, Seveda ne morejo podati ideje o temperaturah globljih plasti Zemlje. Toda tu nam na pomoč priskočijo nekateri pojavi iz življenja zemeljske skorje. Vulkanizem je eden od teh pojavov. Vulkani, razširjeni po zemeljskem površju, prinašajo na površje zemlje staljeno lavo, katere temperatura je več kot 1000°. Zato imamo v velikih globinah temperature, ki presegajo 1000°.

Bili so časi, ko so znanstveniki na podlagi geotermalne stopnje poskušali izračunati globino, na kateri se lahko pojavijo temperature do 1000-2000°. Vendar takih izračunov ni mogoče šteti za dovolj utemeljene. Opazovanja o temperaturi ohlajajoče se bazaltne krogle in teoretični izračuni dajejo razlog za trditev, da se velikost geotermalne stopnje povečuje z globino. A v kolikšnem obsegu in do katere globine pride do takšnega povečanja, prav tako še ne moremo reči.

Če predpostavimo, da temperatura z globino nenehno narašča, potem bi se morala v središču Zemlje meriti v desettisočih stopinjah. Pri takih temperaturah bi morale vse nam znane kamnine preiti v tekoče stanje. Res je, znotraj Zemlje je ogromen pritisk in o stanju teles pri takih pritiskih ne vemo ničesar. Vendar pa nimamo nobenega dokaza, ki bi trdil, da temperatura nenehno narašča z globino. Zdaj večina geofizikov pride do zaključka, da temperatura v notranjosti Zemlje skoraj ne more biti višja od 2000 °.

Viri toplote. Kar zadeva vire toplote, ki določajo notranjo temperaturo Zemlje, so lahko različni. Na podlagi hipotez, ki menijo, da je Zemlja nastala iz vroče in staljene mase, je treba notranjo toploto obravnavati kot preostalo toploto telesa, ki se ohlaja s površine. Vendar obstaja razlog za domnevo, da je lahko vzrok za visoko notranjo temperaturo Zemlje radioaktivni razpad urana, torija, aktinouranija, kalija in drugih elementov, ki jih vsebujejo kamnine. Radioaktivni elementi so večinoma razporejeni v kislih kamninah zemeljskega površja, manj jih je v globokih bazičnih kamninah. Hkrati so osnovne kamnine bogatejše z njimi kot železovi meteoriti, ki veljajo za drobce notranjih delov vesoljskih teles.

Kljub majhni količini radioaktivnih snovi v kamninah in njihovem počasnem razpadu je skupna količina toplote, ki je posledica radioaktivnega razpada, velika. Sovjetski geolog V. G. Klopin izračunal, da so radioaktivni elementi, ki jih vsebuje zgornji 90-kilometrski lupina Zemlje, dovolj, da pokrijejo izgubo toplote s planeta zaradi sevanja. Ob radioaktivnem razpadu se toplotna energija sprošča pri stiskanju zemeljske snovi, pri kemičnih reakcijah itd.

- vir-

Polovinkin, A.A. Osnove splošne geoznanosti / A.A. Polovinkin. M.: Državna izobraževalna in pedagoška založba Ministrstva za šolstvo RSFSR, 1958. - 482 str.

Ogledi objave: 179

"Uporaba nizkokakovostne toplotne energije zemlje v sistemih toplotnih črpalk"

Vasiliev G.P., znanstveni direktor OJSC INSOLAR-INVEST, doktor tehničnih znanosti, predsednik upravnega odbora OJSC INSOLAR-INVEST
N.V. Shilkin, inženir, NIISF (Moskva)

Racionalna raba goriv in energetskih virov danes predstavlja enega od globalnih svetovnih problemov, katerega uspešna rešitev bo očitno odločilnega pomena ne le za nadaljnji razvoj svetovne skupnosti, temveč tudi za ohranitev njenega habitata. Eden od obetavnih načinov za rešitev tega problema je uporaba novih energetsko varčnih tehnologij uporaba netradicionalnih obnovljivih virov energije (NRES) Izčrpavanje tradicionalnih zalog fosilnih goriv in okoljske posledice njihovega izgorevanja so v zadnjih desetletjih povzročile občutno povečanje zanimanja za te tehnologije v skoraj vseh razvitih državah sveta.

Prednosti uporabe tehnologij za oskrbo s toploto v primerjavi s tradicionalnimi analogi niso povezane le z znatnim zmanjšanjem stroškov energije v sistemih za vzdrževanje življenja zgradb in objektov, temveč tudi z njihovo prijaznostjo do okolja, pa tudi z novimi priložnostmi na tem področju. povečanje stopnje avtonomije sistemov za vzdrževanje življenja. Očitno bodo v bližnji prihodnosti te lastnosti odločilnega pomena pri oblikovanju konkurenčnega položaja na trgu opreme za proizvodnjo toplote.

Analiza možnih področij uporabe tehnologij za varčevanje z energijo v ruskem gospodarstvu netradicionalnih virov energije, kaže, da so v Rusiji najbolj obetavno področje za njihovo izvajanje sistemi za vzdrževanje življenja v zgradbah. Hkrati se zdi, da je široka uporaba zelo učinkovita smer za uvedbo obravnavanih tehnologij v prakso domače gradnje. ogrevalni sistemi s toplotno črpalko (HST), ki uporablja zemljo površinskih plasti Zemlje kot univerzalno dostopen vir toplote z nizkim potencialom.

Uporaba Zemljina toplota Ločimo lahko dve vrsti toplotne energije - visoko potencialno in nizko potencialno. Vir toplotne energije z visokim potencialom so hidrotermalni viri - termalne vode, segrete zaradi geoloških procesov na visoko temperaturo, ki omogoča njihovo uporabo za toplotno oskrbo stavb. Vendar pa je uporaba visoko potencialne toplote iz Zemlje omejena na območja z določenimi geološkimi parametri. V Rusiji je to na primer Kamčatka, regija kavkaških mineralnih voda; V Evropi so viri toplote z visokim potencialom na Madžarskem, Islandiji in v Franciji.

V nasprotju z »neposredno« uporabo visokokakovostne toplote (hidrotermalni viri), uporaba nizkocenovne toplote iz Zemlje uporaba toplotnih črpalk je možna skoraj povsod. Trenutno je to eno izmed najbolj dinamično razvijajočih se področij uporabe. netradicionalnih obnovljivih virov energije.

Nizka toplota Zemlje se lahko uporablja v različnih vrstah zgradb in objektov na več načinov: za ogrevanje, oskrbo s toplo vodo, klimatizacijo (hlajenje), ogrevanje poti pozimi, za preprečevanje zaledenitve, ogrevanje igrišč na odprtih stadionih itd. V angleški tehnični literaturi je sistemi, označeni kot "GHP" - "geotermalne toplotne črpalke", geotermalne toplotne črpalke.

Podnebne značilnosti držav srednje in severne Evrope, ki so skupaj z ZDA in Kanado glavna območja za izrabo nizkocenovne toplote iz Zemlje, določajo predvsem potrebo po ogrevanju; Zračno hlajenje je potrebno tudi poleti relativno redko. Zato za razliko od ZDA, toplotne črpalke v evropskih državah delujejo predvsem v načinu ogrevanja. V ZDA toplotne črpalke se pogosteje uporabljajo v sistemih zračnega ogrevanja v kombinaciji s prezračevanjem, ki omogoča tako ogrevanje kot hlajenje zunanjega zraka. V evropskih državah toplotne črpalke običajno se uporablja v sistemih za ogrevanje vode. Zaradi učinkovitost toplotne črpalke povečuje, ko se temperaturna razlika med uparjalnikom in kondenzatorjem zmanjšuje; sistemi talnega ogrevanja se pogosto uporabljajo za ogrevanje zgradb, v katerih kroži hladilna tekočina pri relativno nizki temperaturi (35–40 °C).

Večina toplotne črpalke v Evropi, ki so zasnovani za uporabo nizkocenovne toplote iz Zemlje, so opremljeni z električno gnanimi kompresorji.

V zadnjih desetih letih se je povečalo število sistemov, ki za ogrevanje in hlajenje zgradb uporabljajo nizkocenovno toploto iz Zemlje toplotne črpalke, se je znatno povečalo. Največ tovrstnih sistemov se uporablja v ZDA. Veliko tovrstnih sistemov deluje v Kanadi ter državah srednje in severne Evrope: Avstriji, Nemčiji, Švedski in Švici. Švica je vodilna glede uporabe nizkokakovostne toplotne energije Zemlje na prebivalca. V Rusiji je bilo v zadnjih desetih letih s tehnologijo in s sodelovanjem OJSC INSOLAR-INVEST, specializiranega za to področje, zgrajenih le nekaj objektov, od katerih so najbolj zanimivi predstavljeni v.

V Moskvi, v mikrookrožju Nikulino-2, je bil dejansko zgrajen prvič sistem toplotne črpalke za oskrbo s toplo vodo večnadstropna stanovanjska stavba. Ta projekt je v letih 1998–2002 izvajalo Ministrstvo za obrambo Ruske federacije skupaj z vlado Moskve, Ministrstvom za industrijo in znanost Rusije, Združenjem NP "ABOK" in v okviru "Dolgoročni program varčevanja z energijo v Moskvi".

Kot nizko potencialni vir toplotne energije za uparjalnike toplotnih črpalk se uporablja toplota tal v površinskih plasteh Zemlje, kot tudi toplota odvedenega prezračevalnega zraka. Inštalacija za pripravo tople vode se nahaja v kleti objekta. Vključuje naslednje glavne elemente:

• toplotne črpalke s kompresijo pare (HPU);
• rezervoarji za toplo vodo;
• sistemi za zbiranje nizkocenovne toplotne energije tal in nizkocenovne toplote odstranjenega prezračevalnega zraka;
• obtočne črpalke, krmilna in merilna oprema

Glavni element za izmenjavo toplote nizkokakovostnega sistema za zbiranje toplote zemlje so navpični koaksialni zemeljski toplotni izmenjevalniki, nameščeni zunaj vzdolž oboda stavbe. Ti izmenjevalniki toplote so sestavljeni iz 8 vrtin, vsaka z globino od 32 do 35 m, ki se nahajajo v bližini hiše. Ker način delovanja toplotnih črpalk uporablja toploto zemlje in toplota odstranjenega zraka je konstantna, poraba tople vode pa je spremenljiva, sistem za oskrbo s toplo vodo je opremljen z rezervoarji.

Podatki, ki ocenjujejo globalno raven izrabe nizko potencialne toplotne energije Zemlje s toplotnimi črpalkami, so podani v tabeli.

Tabela 1. Svetovna raven izrabe nizko potencialne toplotne energije Zemlje s toplotnimi črpalkami

Tla kot vir nizko potencialne toplotne energije

Kot vir nizko potencialne toplotne energije se lahko uporablja podzemna voda z relativno nizko temperaturo ali prst iz površinskih (do 400 m globokih) plasti Zemlje.. Toplotna vsebnost talne mase je na splošno višja. Toplotni režim tal v površinskih plasteh Zemlje se oblikuje pod vplivom dveh glavnih dejavnikov - sončnega sevanja, ki pada na površje, in toka radiogene toplote iz zemeljske notranjosti.. Sezonske in dnevne spremembe intenzivnosti sončnega obsevanja in zunanje temperature zraka povzročajo nihanja temperature zgornjih plasti tal. Globina prodiranja dnevnih nihanj zunanje temperature zraka in intenzivnosti vpadnega sončnega sevanja se glede na specifične talne in podnebne razmere giblje od nekaj deset centimetrov do metra in pol. Globina prodiranja sezonskih nihanj zunanje temperature zraka in intenzivnosti vpadnega sončnega sevanja praviloma ne presega 15–20 m.

Temperaturni režim plasti tal, ki se nahaja pod to globino ("nevtralno območje"), se oblikuje pod vplivom toplotne energije, ki prihaja iz črevesja Zemlje, in je praktično neodvisen od sezonskih, še bolj pa dnevnih sprememb parametrov zunanjega zraka. podnebje (slika 1).

riž. 1. Graf sprememb temperature tal glede na globino

Z večanjem globine se temperatura tal povečuje v skladu z geotermalnim gradientom (približno 3 stopinje C na vsakih 100 m). Velikost toka radiogene toplote, ki prihaja iz Zemljine notranjosti, je za različna območja različna. Za srednjo Evropo je ta vrednost 0,05–0,12 W/m2.

Med obratovalnim obdobjem se masa tal, ki se nahaja v območju toplotnega vpliva registra cevi talnega toplotnega izmenjevalnika nizko potencialnega sistema za zbiranje toplote tal (sistem za zbiranje toplote), zaradi sezonskih sprememb parametrov zunanjega podnebju, pa tudi pod vplivom obratovalnih obremenitev sistema za zbiranje toplote, je običajno podvržen ponavljajočemu se zamrzovanju in odmrzovanju. V tem primeru seveda pride do spremembe agregatnega stanja vlage v porah tal in na splošno v tekoči, trdni in plinasti fazi hkrati. Z drugimi besedami, zemljinska masa sistema za zbiranje toplote, ne glede na to, v kakšnem stanju je (zmrznjena ali odmrznjena), je kompleksen trifazni polidisperzni heterogeni sistem, katerega skelet tvori ogromno število trdnih delcev različnih oblik in velikosti in so lahko togi ali gibljivi, odvisno od tega, ali so delci med seboj tesno povezani ali pa so med seboj ločeni s snovjo v mobilni fazi. Prostori med trdnimi delci so lahko napolnjeni z mineralizirano vlago, plinom, paro in ledom ali obojim. Modeliranje procesov prenosa toplote in mase, ki tvorijo toplotni režim takšnega večkomponentnega sistema, je izjemno kompleksna naloga, saj zahteva upoštevanje in matematični opis različnih mehanizmov njihovega izvajanja: toplotne prevodnosti v posameznem delcu, prenosa toplote iz en delec na drugega ob njunem stiku, molekularna toplotna prevodnost v mediju, ki zapolnjuje vrzeli med delci, konvekcija pare in vlage v prostoru por in mnogi drugi.

Posebno pozornost je treba posvetiti vplivu vlažnosti talne mase in migracije vlage v njenem pornem prostoru na toplotne procese, ki določajo značilnosti tal kot vira nizko potencialne toplotne energije.

V kapilarno-poroznih sistemih, kot je masa tal v sistemu za zbiranje toplote, ima prisotnost vlage v prostoru por opazen vpliv na proces širjenja toplote. Pravilno upoštevanje tega vpliva je danes povezano s precejšnjimi težavami, ki so povezane predvsem s pomanjkanjem jasnih predstav o naravi porazdelitve trdne, tekoče in plinaste faze vlage v določeni strukturi sistema. Narava sil vezave vlage s skeletnimi delci, odvisnost oblik vezave vlage z materialom na različnih stopnjah vlaženja in mehanizem gibanja vlage v pornem prostoru še niso pojasnjeni.

Če je v debelini talne mase temperaturni gradient, se molekule hlapov premaknejo na mesta z nizkim temperaturnim potencialom, hkrati pa pod vplivom gravitacijskih sil v tekoči fazi nastane nasprotno usmerjen tok vlage. Poleg tega na temperaturni režim zgornjih plasti tal vpliva vlaga atmosferskih padavin, pa tudi podzemne vode.

Glavni dejavniki, pod vplivom katerih se oblikuje temperaturni režim talnega masiva v sistemih za zbiranje nizko potencialne toplote tal, so prikazani na sl. 2.

riž. 2. Dejavniki, pod vplivom katerih se oblikuje temperaturni režim tal

Vrste sistemov za uporabo nizko potencialne toplotne energije Zemlje

Priključite zemeljske toplotne izmenjevalce oprema toplotne črpalke z maso zemlje. Poleg »pridobivanja« zemeljske toplote se lahko zemeljski izmenjevalniki toplote uporabljajo tudi za akumulacijo toplote (ali mraza) v masi zemlje.

Na splošno lahko ločimo dve vrsti sistemov za uporabo nizko potencialne toplotne energije Zemlje::

• odprti sistemi: podzemna voda, ki se dovaja neposredno v toplotne črpalke, se uporablja kot vir nizkokakovostne toplotne energije;
• zaprti sistemi: toplotni izmenjevalci se nahajajo v masi tal; ko skozi njih kroži hladilna tekočina z nižjo temperaturo glede na tla, se toplotna energija "izbira" iz tal in prenaša v uparjalnik toplotna črpalka(oziroma pri uporabi hladilne tekočine z višjo temperaturo glede na tla, njeno hlajenje).

Glavni del odprtih sistemov so vrtine, ki vam omogočajo črpanje podzemne vode iz vodonosnikov in vračanje vode nazaj v iste vodonosnike. Običajno so v ta namen nameščeni parni vodnjaki. Diagram takšnega sistema je prikazan na sl. 3.

riž. 3. Shema odprtega sistema za izrabo nizkopotencialne toplotne energije podzemne vode

Prednost odprtih sistemov je možnost pridobivanja velikih količin toplotne energije z relativno nizkimi stroški. Vendar vodnjaki zahtevajo vzdrževanje. Poleg tega uporaba tovrstnih sistemov ni mogoča na vseh področjih. Glavne zahteve za tla in podtalnico so naslednje:

• zadostna prepustnost tal, ki omogoča obnavljanje zalog vode;
• Dobra kemija podzemne vode (npr. nizka vsebnost železa), da se izognete težavam z vodnim kamnom in korozijo.

Odprti sistemi se pogosteje uporabljajo za ogrevanje ali hlajenje velikih zgradb. Največji sistem geotermalne toplotne črpalke na svetu uporablja podtalnico kot vir nizkokakovostne toplotne energije. Ta sistem se nahaja v ZDA v Louisvillu, Kentucky. Sistem se uporablja za toplotno in hladno oskrbo hotelsko-pisarniškega kompleksa; njegova moč je približno 10 MW.

Včasih sistemi, ki uporabljajo toploto Zemlje, vključujejo tudi sisteme, ki uporabljajo nizko stopnjo toplote iz odprtih vodnih teles, naravnih in umetnih. Ta pristop je bil sprejet zlasti v ZDA. Sistemi, ki uporabljajo nizkocenovno toploto iz rezervoarjev, so razvrščeni kot odprti, prav tako sistemi, ki uporabljajo nizkocenovno toploto iz podtalnice.

Zaprti sistemi so razdeljeni na vodoravne in navpične.

Horizontalni zemeljski izmenjevalnik toplote(v angleški literaturi se uporabljata tudi izraza “ground heat collector” in “horizontal loop”) se običajno namesti ob hiši na majhni globini (vendar pod nivojem zmrzovanja tal pozimi). Uporaba horizontalnih zemeljskih toplotnih izmenjevalcev je omejena z velikostjo razpoložljivega mesta.

V državah zahodne in srednje Evrope so horizontalni zemeljski toplotni izmenjevalniki običajno posamezne cevi, položene sorazmerno tesno in med seboj povezane zaporedno ali vzporedno (slika 4a, 4b). Da bi prihranili površino, so bili razviti izboljšani tipi toplotnih izmenjevalnikov, na primer toplotni izmenjevalniki v obliki spirale, ki se nahaja vodoravno ali navpično (sl. 4e, 4f). Ta oblika izmenjevalnikov toplote je pogosta v ZDA.

riž. 4. Vrste horizontalnih zemeljskih toplotnih izmenjevalnikov
a – toplotni izmenjevalnik iz zaporedno vezanih cevi;
b – toplotni izmenjevalnik iz vzporedno povezanih cevi;
c – vodoravni kolektor, položen v jarek;
d – toplotni izmenjevalnik v obliki zanke;
d - toplotni izmenjevalnik v obliki spirale, ki se nahaja vodoravno (tako imenovani "slinky" kolektor;
e – toplotni izmenjevalnik v obliki spirale, ki se nahaja navpično

Če se sistem s horizontalnimi toplotnimi izmenjevalniki uporablja samo za proizvodnjo toplote, je njegovo normalno delovanje možno le ob zadostnem dovodu toplote z zemeljske površine zaradi sončnega obsevanja. Zaradi tega mora biti površina nad izmenjevalniki toplote izpostavljena sončni svetlobi.

Vertikalni zemeljski toplotni izmenjevalniki(v literaturi v angleškem jeziku je sprejeta oznaka "BHE" - "borehole heat exchanger") omogočajo uporabo nizko potencialne toplotne energije mase tal, ki leži pod "nevtralno cono" (10–20 m od nivoja tal). Sistemi z vertikalnimi zemeljskimi toplotnimi izmenjevalniki ne zahtevajo velikih površin in niso odvisni od intenzivnosti sončnega sevanja, ki pada na površino. Vertikalni zemeljski toplotni izmenjevalniki delujejo učinkovito v skoraj vseh vrstah geoloških medijev, z izjemo tal z nizko toplotno prevodnostjo, kot sta suh pesek ali suh gramoz. Sistemi z vertikalnimi zemeljskimi toplotnimi izmenjevalniki so postali zelo razširjeni.

Diagram ogrevanja in oskrbe s toplo vodo za enostanovanjsko stanovanjsko stavbo z uporabo toplotne črpalke z navpičnim zemeljskim toplotnim izmenjevalnikom je prikazan na sl. 5.

riž. 5. Shema ogrevanja in oskrbe s toplo vodo enostanovanjske stanovanjske stavbe z uporabo toplotne črpalke z vertikalnim zemeljskim prenosnikom toplote.

Hladilno sredstvo kroži po ceveh (najpogosteje polietilenskih ali polipropilenskih), položenih v navpične vodnjake globine od 50 do 200 m. Običajno se uporabljajo dve vrsti navpičnih zemeljskih toplotnih izmenjevalnikov (slika 6):

• Toplotni izmenjevalnik v obliki črke U, sestavljen iz dveh vzporednih cevi, povezanih na dnu. En ali dva (manj pogosto trije) pari takih cevi se nahajajo v eni vrtini. Prednost te sheme so relativno nizki stroški izdelave. Dvojni izmenjevalniki toplote U so najpogosteje uporabljena vrsta vertikalnih talnih izmenjevalnikov toplote v Evropi.
• Koaksialni (koncentrični) izmenjevalnik toplote. Najenostavnejši koaksialni izmenjevalnik toplote je sestavljen iz dveh cevi različnih premerov. Cev manjšega premera se nahaja znotraj druge cevi. Koaksialni toplotni izmenjevalniki imajo lahko bolj zapletene konfiguracije.

riž. 6. Prerez različnih vrst vertikalnih zemeljskih prenosnikov toplote

Za povečanje učinkovitosti izmenjevalnikov toplote je prostor med stenami vodnjaka in cevmi napolnjen s posebnimi toplotno prevodnimi materiali.

Sistemi z vertikalnimi zemeljskimi toplotnimi izmenjevalniki se lahko uporabljajo za ogrevanje in hlajenje objektov različnih velikosti. Za majhno stavbo zadostuje en izmenjevalnik toplote; za velike zgradbe bo morda treba namestiti celo skupino vodnjakov z navpičnimi toplotnimi izmenjevalniki. Največje število vodnjakov na svetu se uporablja v sistemu ogrevanja in hlajenja Richard Stockton College v ZDA v zvezni državi New Jersey. Vertikalni zemeljski toplotni izmenjevalniki te šole se nahajajo v 400 vrtinah globine 130 m. V Evropi se največje število vrtin (154 vrtin globine 70 m) uporablja v sistemu ogrevanja in hlajenja centralnega. urad nemške kontrole zračnega prometa ("Deutsche Flugsicherung").

Poseben primer vertikalnih zaprtih sistemov je uporaba gradbenih konstrukcij kot zemeljskih toplotnih izmenjevalcev, na primer temeljnih pilotov z vgrajenimi cevovodi. Prerez takšnega kupa s tremi vezji zemeljskega toplotnega izmenjevalnika je prikazan na sl. 7.

riž. 7. Shema zemeljskih toplotnih izmenjevalcev vgrajenih v temeljne pilote zgradbe in prerez takšnega pilota

Zemeljsko maso (v primeru vertikalnih zemeljskih toplotnih izmenjevalnikov) in gradbene konstrukcije z zemeljskimi toplotnimi izmenjevalniki lahko uporabimo ne le kot vir, temveč tudi kot naravni akumulator toplotne energije ali »hlada«, na primer sončne toplote. sevanje.

Obstajajo sistemi, ki jih ni mogoče jasno razvrstiti med odprte ali zaprte. Na primer, ista globoka (globina od 100 do 450 m) vrtina, napolnjena z vodo, je lahko proizvodna in injekcijska. Premer vodnjaka je običajno 15 cm, v spodnjem delu vodnjaka je nameščena črpalka, preko katere se voda iz vrtine dovaja v uparjalnike toplotne črpalke. Povratna voda se vrne na vrh vodnega stolpca v istem vodnjaku. Vodnjak se stalno polni s podtalnico, odprti sistem pa deluje kot zaprt. Tovrstni sistemi se v angleški literaturi imenujejo “standing column well system” (slika 8).

riž. 8. Shema vodnjaka tipa "stojni stolpec".

Običajno se tovrstni vodnjaki uporabljajo tudi za oskrbo objektov s pitno vodo.. Vendar pa lahko tak sistem učinkovito deluje le v tleh, ki zagotavljajo stalen dotok vode v vodnjak, kar preprečuje njeno zmrzovanje. Če vodonosnik leži pregloboko, bo za normalno delovanje sistema potrebna močna črpalka, ki zahteva povečano porabo energije. Velika globina vodnjaka povzroča precej visoke stroške takšnih sistemov, zato se ne uporabljajo za oskrbo s toploto in mrazom majhnih zgradb. V svetu trenutno deluje več tovrstnih sistemov v ZDA, Nemčiji in Evropi.

Ena od obetavnih smeri je uporaba vode iz rudnikov in predorov kot vira toplotne energije z nizkim potencialom. Temperatura te vode je konstantna skozi vse leto. Voda iz rudnikov in rovov je lahko dostopna.

»Trajnost« sistemov za izrabo nizkocenovne toplote iz Zemlje

Pri delovanju zemeljskega toplotnega izmenjevalnika lahko pride do situacije, ko se med kurilno sezono temperatura tal v bližini zemeljskega toplotnega izmenjevalnika zniža, poleti pa se zemlja nima časa segreti na začetno temperaturo - njen temperaturni potencial se zmanjša . Poraba energije v naslednji ogrevalni sezoni povzroči še večji padec temperature tal, njen temperaturni potencial pa se dodatno zmanjša. To sili pri načrtovanju sistemov uporaba nizkocenovne toplote Zemlje razmislite o problemu "trajnosti" takih sistemov. Energetski viri se pogosto uporabljajo zelo intenzivno za zmanjšanje vračilne dobe opreme, kar lahko privede do njihove hitre izčrpanosti. Zato je treba vzdrževati takšno raven proizvodnje energije, ki bi omogočala dolgoročno izkoriščanje vira energije. Ta sposobnost sistemov, da vzdržujejo zahtevano raven proizvodnje toplotne energije v daljšem časovnem obdobju, se imenuje "trajnost". Za sisteme z nizkim potencialom Zemljina toplota podana je naslednja definicija trajnosti: »Za vsak sistem izrabe nizkocenovne toplote Zemlje in za vsak način delovanja tega sistema obstaja določena najvišja raven proizvodnje energije; Proizvodnja energije pod to ravnjo se lahko vzdržuje dolgo časa (100–300 let).«

Izvedeno v OJSC "INSOLAR-INVEST"Študije so pokazale, da poraba toplotne energije iz talne mase ob koncu kurilne sezone povzroči znižanje temperature tal v bližini registra cevi sistema za zbiranje toplote, kar v talnih in podnebnih razmerah večine ozemlja Rusija nima časa za kompenzacijo v poletnem obdobju leta in do začetka naslednje ogrevalne sezone zemlja pusti zmanjšan temperaturni potencial. Poraba toplotne energije v naslednji kurilni sezoni povzroči nadaljnje znižanje temperature tal, do začetka tretje kurilne sezone pa se njen temperaturni potencial še bolj razlikuje od naravnega. In tako naprej. Vendar pa imajo ovojnice toplotnega vpliva dolgotrajnega delovanja sistema zbiranja toplote na naravni temperaturni režim tal izrazit eksponentni značaj in do petega leta delovanja tla dosežejo nov režim, blizu periodičnega, to pomeni, da od petega leta delovanja dolgoročno porabo toplotne energije iz sistemov za zbiranje toplote mase tal spremljajo občasne spremembe njene temperature. Tako pri oblikovanju ogrevalni sistemi s toplotno črpalko Zdi se, da je treba upoštevati padec temperatur zemeljske mase, ki je posledica dolgoletnega delovanja sistema zbiranja toplote, in kot projektne parametre uporabiti temperature zemeljske mase, pričakovane za 5. leto obratovanja TST.

V kombiniranih sistemih, ki se uporablja tako za oskrbo s toploto kot za hlajenje, se toplotna bilanca nastavi »samodejno«: pozimi (zahtevan je dovod toplote) se masa tal ohladi, poleti (potreben je dovod hlajenja) se masa tal segreje. V sistemih, ki izkoriščajo nizkocenovno toploto podzemne vode, prihaja do stalnega obnavljanja zalog vode zaradi pronicanja vode s površine in vode, ki prihaja iz globljih plasti tal. Tako se toplotna vsebnost podzemne vode poveča tako "od zgoraj" (zaradi toplote atmosferskega zraka) kot "od spodaj" (zaradi toplote Zemlje); Količina dovedene toplote "od zgoraj" in "od spodaj" je odvisna od debeline in globine vodonosnika. Zaradi teh vnosov toplote ostane temperatura podtalnice konstantna vso sezono in se med obratovanjem malo spreminja.

Pri sistemih z navpičnimi zemeljskimi toplotnimi izmenjevalniki je situacija drugačna. Ko se toplota odvaja, se temperatura tal okoli zemeljskega toplotnega izmenjevalnika zniža. Na znižanje temperature vplivajo tako konstrukcijske značilnosti izmenjevalnika toplote kot način njegovega delovanja. Na primer v sistemih z visokimi vrednostmi disipacije toplotne energije (več deset vatov na meter dolžine toplotnega izmenjevalnika) ali v sistemih z zemeljskim toplotnim izmenjevalnikom, ki se nahaja v tleh z nizko toplotno prevodnostjo (na primer v suhem pesku ali suhem prod), bo padec temperature še posebej opazen in lahko povzroči zmrzovanje talne mase okoli zemeljskega toplotnega izmenjevalnika.

Nemški strokovnjaki so izmerili temperaturo zemeljske gmote, v kateri je bil v bližini Frankfurta na Majni nameščen navpični zemeljski toplotni izmenjevalnik globine 50 m. V ta namen je bilo okoli glavne vrtine na razdalji 2,5, 5 in 10 m izvrtanih 9 vrtin enake globine. V vseh desetih vrtinah so na vsaka 2 m nameščeni senzorji za merjenje temperature - skupaj 240 senzorjev. Na sl. Slika 9 prikazuje diagrame, ki prikazujejo porazdelitev temperatur v zemljinski masi okoli navpičnega zemeljskega toplotnega izmenjevalnika na začetku in na koncu prve ogrevalne sezone. Ob koncu kurilne sezone je jasno opazno znižanje temperature talne mase okoli toplotnega izmenjevalnika. Pojavi se toplotni tok, usmerjen v toplotni izmenjevalnik iz okoliške mase tal, ki delno kompenzira znižanje temperature tal zaradi "odvzema" toplote. Velikost tega pretoka je v primerjavi z velikostjo toplotnega toka iz zemeljskega drobovja na določenem območju (80–100 mW/m2) ocenjena na precej visoko (nekaj vatov na kvadratni meter).

riž. 9. Sheme porazdelitve temperature v zemljinski masi okoli navpičnega zemeljskega toplotnega izmenjevalnika na začetku in koncu prve kurilne sezone

Ker so se vertikalni toplotni izmenjevalci začeli razmeroma širiti pred približno 15–20 leti, po vsem svetu primanjkuje eksperimentalnih podatkov, pridobljenih v dolgem (več desetletij) delovanju sistemov s tovrstnimi toplotnimi izmenjevalniki. Postavlja se vprašanje o stabilnosti teh sistemov, o njihovi zanesljivosti v dolgih obdobjih delovanja. Je nizkocenovna toplota Zemlje obnovljiv vir energije? Kakšno je obdobje "obnove" tega vira?

Ko deluje podeželska šola v regiji Yaroslavl, opremljena sistem toplotne črpalke z navpičnim zemeljskim toplotnim izmenjevalnikom so bile povprečne specifične vrednosti odvoda toplote na ravni 120–190 W/linearno. m dolžine toplotnega izmenjevalnika.

Od leta 1986 potekajo raziskave na sistemu z navpičnimi zemeljskimi toplotnimi izmenjevalniki v Švici blizu Züricha. V zemljinsko maso je bil vgrajen vertikalni koaksialni zemeljski toplotni izmenjevalnik globine 105 m. Ta toplotni izmenjevalnik je bil uporabljen kot vir nizkokakovostne toplotne energije za sistem toplotne črpalke, nameščen v enostanovanjskem stanovanjskem objektu. Vertikalni zemeljski izmenjevalnik toplote je zagotavljal največjo moč približno 70 W na meter dolžine, kar je povzročilo znatno toplotno obremenitev okoliške talne mase. Letna proizvodnja toplotne energije znaša približno 13 MWh

Na razdalji 0,5 in 1 m od glavne vrtine sta bili izvrtani dve dodatni vrtini, v katerih so bili nameščeni temperaturni senzorji na globini 1, 2, 5, 10, 20, 35, 50, 65, 85 in 105 m. po katerem so bile vrtine napolnjene glineno-cementne mešanice. Temperaturo so merili vsakih trideset minut. Poleg temperature tal so bili zabeleženi še drugi parametri: hitrost gibanja hladilne tekočine, poraba energije pogona kompresorja toplotne črpalke, temperatura zraka itd.

Prvo obdobje opazovanja je trajalo od leta 1986 do 1991. Meritve so pokazale, da je vpliv toplote zunanjega zraka in sončnega sevanja opazen v površinskem sloju tal na globini do 15 m, toplotni režim tal pa se oblikuje predvsem zaradi toplote zemeljske notranjosti. V prvih 2-3 letih delovanja temperatura tal okoli navpičnega toplotnega izmenjevalnika močno padla, vendar se je vsako leto znižanje temperature zmanjšalo in po nekaj letih je sistem dosegel režim, ki je blizu konstante, ko je temperatura talne mase okoli toplotnega izmenjevalnika postala za 1–2 °C nižja od izvirnik.

Jeseni 1996, deset let po začetku delovanja sistema, so se meritve nadaljevale. Te meritve so pokazale, da se temperatura tal ni bistveno spremenila. V naslednjih letih so bila zabeležena rahla nihanja temperature tal znotraj 0,5 stopinje C glede na letno ogrevalno obremenitev. Tako je sistem po prvih nekaj letih delovanja dosegel kvazistacionarni način.

Na podlagi eksperimentalnih podatkov so bili zgrajeni matematični modeli procesov, ki se dogajajo v talni masi, kar je omogočilo dolgoročno napoved sprememb temperature talne mase.

Matematično modeliranje je pokazalo, da se bo letno znižanje temperature postopoma zmanjševalo, prostornina mase tal okoli toplotnega izmenjevalnika pa se bo ob znižanju temperature vsako leto povečala. Ob koncu obratovalnega obdobja se začne proces regeneracije: temperatura tal se začne dvigovati. Narava procesa regeneracije je podobna naravi procesa "izbire" toplote: v prvih letih delovanja se temperatura tal močno poveča, v naslednjih letih pa se stopnja zvišanja temperature zmanjša. Trajanje obdobja "regeneracije" je odvisno od trajanja obratovalnega obdobja. Ti dve obdobji sta približno enaki. V obravnavanem primeru je bila doba delovanja zemeljskega toplotnega izmenjevalnika trideset let, »regeneracijska« doba pa je prav tako ocenjena na trideset let.

Tako sistemi za ogrevanje in hlajenje stavb, ki uporabljajo nizkocenovno toploto iz zemlje, predstavljajo zanesljiv vir energije, ki ga je mogoče uporabiti povsod. Ta vir se lahko uporablja precej dolgo in se lahko obnovi ob koncu obdobja delovanja.

Literatura

1. Rybach L. Stanje in perspektive geotermalnih toplotnih črpalk (GHP) v Evropi in po svetu; trajnostni vidiki GHP. Mednarodni tečaj geotermalnih toplotnih črpalk, 2002

2. Vasiliev G.P., Krundyshev N.S. Energetsko učinkovita podeželska šola v regiji Yaroslavl. ABOK št. 5, 2002

3. Sanner B. Talni viri toplote za toplotne črpalke (razvrstitev, značilnosti, prednosti). 2002

4. Rybach L. Stanje in perspektive geotermalnih toplotnih črpalk (GHP) v Evropi in po svetu; trajnostni vidiki GHP. Mednarodni tečaj geotermalnih toplotnih črpalk, 2002

5. Delovna skupina ORKUSTOFNUN, Islandija (2001): Trajnostna proizvodnja geotermalne energije – predlagana definicija. IGA Novice št. 43, januar-marec 2001, 1-2

6. Rybach L., Sanner B. Sistemi toplotnih črpalk zemlja-voda – evropska izkušnja. GeoHeat- Center Bull. 21/1, 2000

7. Varčevanje z energijo s stanovanjskimi toplotnimi črpalkami v hladnih podnebjih. Maxi brošura 08. KADET, 1997

8. Atkinson Schaefer L. Analiza enojne tlačne absorpcijske toplotne črpalke. Disertacija, predstavljena na Akademski fakulteti. Georgia Institute of Technology, 2000

9. Morley T. Obrnjeni toplotni stroj kot sredstvo za ogrevanje stavb, The Engineer 133: 1922

10. Fearon J. Zgodovina in razvoj toplotne črpalke, hlajenje in klimatizacija. 1978

11. Vasiljev G.P. Energetsko učinkovite stavbe z ogrevalnimi sistemi s toplotno črpalko. Stanovanjska in komunalna revija, št. 12, 2002

12. Navodila za uporabo toplotnih črpalk na sekundarne vire energije in netradicionalne obnovljive vire energije. Moskomarhitektura. Državno enotno podjetje "NIAC", 2001

13. Energetsko učinkovita stanovanjska zgradba v Moskvi. ABOK št. 4, 1999

14. Vasiljev G.P. Energetsko učinkovita eksperimentalna stanovanjska stavba v mikrookrožju Nikulino-2. ABOK št. 4, 2002

Površinski sloj zemeljskih tal je naravni hranilnik toplote. Glavni vir toplotne energije, ki vstopa v zgornje plasti Zemlje, je sončno sevanje. Na globini približno 3 m ali več (pod lediščem) ostane temperatura tal skozi vse leto skoraj nespremenjena in je približno enaka povprečni letni zunanji temperaturi zraka. Na globini 1,5-3,2 m se pozimi temperatura giblje od +5 do + 7 ° C, poleti pa od +10 do + 12 ° C. Ta toplota lahko prepreči, da bi hiša pozimi zmrznila, poleti pa prepreči pred pregrevanjem nad 18 -20°C

Najlažji način izkoriščanja toplote zemlje je uporaba talnega toplotnega izmenjevalnika (SHE). Pod zemljo, pod zmrziščem tal, je položen sistem zračnih kanalov, ki delujejo kot toplotni izmenjevalec med tlemi in zrakom, ki prehaja skozi te kanale. Pozimi se vhodni hladen zrak, ki vstopa in prehaja skozi cevi, segreje, poleti pa ohladi. Z racionalno postavitvijo zračnih kanalov je mogoče pridobiti znatno količino toplotne energije iz tal z majhno porabo energije.

Uporabite lahko izmenjevalnik toplote cev v cevi. Notranji zračni kanali iz nerjavnega jekla pri tem delujejo kot rekuperatorji.

Hlajenje poleti

V topli sezoni hlajenje dovodnega zraka zagotavlja zemeljski izmenjevalnik toplote. Zunanji zrak vstopa skozi napravo za dovod zraka v zemeljski toplotni izmenjevalnik, kjer se ohladi s tlemi. Nato se ohlajen zrak po zračnih kanalih dovaja v dovodno in odvodno enoto, v kateri je namesto rekuperatorja za poletno obdobje nameščen poletni vložek. Zahvaljujoč tej rešitvi se temperatura v prostorih zniža, mikroklima v hiši se izboljša, stroški energije za klimatsko napravo pa se zmanjšajo.

Delo izven sezone

Kadar je razlika med temperaturo zunanjega in notranjega zraka majhna, lahko svež zrak dovajamo preko dovodne rešetke, nameščene na steni hiše v nadzemnem delu. V obdobju, ko je razlika velika, lahko svež zrak dovajamo preko PHE, ki zagotavlja ogrevanje/hlajenje dovodnega zraka.

Prihranki pozimi

V hladni sezoni vstopa zunanji zrak skozi napravo za dovod zraka v PHE, kjer se segreje in nato vstopi v dovodno in odvodno enoto za ogrevanje v rekuperatorju. Predgretje zraka v PHE zmanjša verjetnost zaledenitve rekuperatorja klimatske naprave, poveča efektivni čas uporabe rekuperacije in minimizira stroške dodatnega segrevanja zraka v vodnem/električnem grelniku.

Kako se izračunajo stroški ogrevanja in hlajenja zraka?

Predhodno lahko izračunate stroške ogrevanja zraka pozimi za prostor, kjer se zrak dovaja po standardu 300 m3 / uro. Pozimi je povprečna dnevna temperatura za 80 dni -5 ° C - ogreti jo je treba na + 20 ° C. Za ogrevanje te količine zraka morate porabiti 2,55 kW na uro (če ni rekuperacije toplote sistem). Pri uporabi geotermalnega sistema se zunanji zrak segreje na +5, nato pa je potrebnih 1,02 kW, da se vstopni zrak segreje na udobno raven. Pri rekuperaciji je situacija še boljša - porabite le 0,714 kW. V obdobju 80 dni bo porabljenih 2448 kWh toplotne energije, geotermalni sistemi pa bodo znižali stroške za 1175 oziroma 685 kWh.

V izven sezone za 180 dni je povprečna dnevna temperatura + 5 ° C - ogreti jo je treba na + 20 ° C. Načrtovani stroški so 3305 kW * h, geotermalni sistemi pa bodo zmanjšali stroške za 1322 ali 1102 kW. * h.

Poleti je 60 dni povprečna dnevna temperatura okoli + 20 ° C, v 8 urah pa znotraj + 26 ° C. Stroški za hlajenje bodo 206 kWh, geotermalni sistem pa bo znižal stroške za 137 kWh. .

Celoletno delovanje takšnega geotermalnega sistema ocenjujemo s koeficientom - SPF (sezonski faktor moči), ki je definiran kot razmerje med količino prejete toplotne energije in količino porabljene električne energije ob upoštevanju sezonskih sprememb. v temperaturi zraka/tal.

Za pridobitev 2634 kWh toplotne moči iz zemlje na leto prezračevalna enota porabi 635 kWh električne energije. SPF = 2634/635 = 4,14.
Glede na materiale.

Temperatura tal se nenehno spreminja z globino in časom. Odvisno je od številnih dejavnikov, od katerih jih je veliko težko upoštevati. Slednje na primer vključujejo: naravo vegetacije, izpostavljenost pobočja kardinalnim točkam, senčenje, snežno odejo, naravo samih tal, prisotnost supra-permafrostnih voda itd. Vendar pa temperatura tal , tako po vrednosti kot po naravi porazdelitve, ostaja iz leta v leto precej stabilna, pri čemer ima odločilen vpliv temperatura zraka.

Temperatura tal na različnih globinah in v različnih letnih obdobjih je mogoče pridobiti z neposrednimi meritvami v termalnih vrtinah, ki so nameščene v procesu raziskave. Toda ta metoda zahteva dolgoročna opazovanja in znatne stroške, kar ni vedno upravičeno. Podatki, pridobljeni iz ene ali dveh vrtin, so porazdeljeni po velikih površinah in dolžinah, kar močno izkrivlja realnost, tako da se izračunani podatki o temperaturi tal v mnogih primerih izkažejo za bolj zanesljive.

Temperatura permafrostne zemlje na kateri koli globini (do 10 m od površine) in za katero koli obdobje v letu se lahko določi po formuli:

tr = mt°, (3.7)

kjer je z globina, merjena iz VGM, m;

tr – temperatura tal na globini z, v stopinjah.

τr – čas enak letu (8760 ur);

τ - čas, štet naprej (do 1. januarja) od trenutka začetka jesenskega zmrzovanja tal do trenutka, za katerega se meri temperatura, v urah;

exp x – eksponent (eksponentna funkcija exp je vzeta iz tabel);

m – koeficient v odvisnosti od letnega obdobja (za obdobje oktober - maj m = 1,5-0,05z, za obdobje junij-september pa m = 1)

Najnižja temperatura na dani globini bo takrat, ko kosinus v formuli (3.7) postane enak -1, kar pomeni, da bo najnižja temperatura tal za leto na dani globini

tr min = (1,5-0,05z) t°, (3,8)

Najvišja temperatura tal na globini z bo takrat, ko kosinus dobi vrednost, ki je enaka ena, tj.

tr max = t°, (3.9)

V vseh treh formulah je treba vrednost volumetrične toplotne kapacitete C m izračunati za temperaturo tal t° z uporabo formule (3.10).

C 1 m = 1/W, (3.10)

Temperatura tal v sezonski odmrzovalni plasti lahko določimo tudi z izračunom, pri čemer upoštevamo, da je sprememba temperature v tej plasti precej natančno aproksimirana z linearno odvisnostjo pri naslednjih temperaturnih gradientih (tabela 3.1).

Z izračunom z eno od formul (3.8) – (3.9) se temperatura tal na ravni VGM, tj. če v formule vnesemo Z=0, nato s tabelo 3.1 določimo temperaturo tal na določeni globini v sezonski odmrzovalni plasti. V najvišjih plasteh tal, do približno 1 m od površine, je narava temperaturnih nihanj zelo zapletena.

Tabela 3.1

Temperaturni gradient v sezonski talilni plasti na globini pod 1 m od površine tal

Opomba. Predznak gradienta je prikazan v smeri proti dnevni površini.

Če želite dobiti ocenjeno temperaturo tal v metrski plasti od površine, lahko nadaljujete na naslednji način. Izračunajte temperaturo na globini 1 m in temperaturo dnevne površine tal ter nato z interpolacijo teh dveh vrednosti določite temperaturo na dani globini.

Temperaturo na površini tal t p v hladni sezoni leta lahko vzamemo za enako temperaturo zraka. Med poletjem:

t p = 2+1,15 t c, (3.11)

kjer je t p površinska temperatura v stopinjah.

t in – temperatura zraka v stopinjah.

Temperatura tal v coni permafrosta, ki se ne zlije se izračuna drugače kot pri združevanju. V praksi lahko predvidevamo, da bo temperatura na ravni VGM skozi vse leto 0°C. Izračunano temperaturo permafrostnih tal na določeni globini lahko določimo z interpolacijo ob predpostavki, da se v globini spreminja po linearnem zakonu od t° na globini 10 m do 0°C na globini VGM. Temperaturo v odtaljeni plasti ht lahko vzamemo od 0,5 do 1,5 °C.

V sezonski zmrzovalni plasti h p se lahko temperatura tal izračuna na enak način kot za sezonsko talilno plast cone permafrosta, ki se združuje, tj. v plasti h p – 1 m vzdolž temperaturnega gradienta (tabela 3.1), upoštevajoč, da je temperatura na globini h p enaka 0 °C v hladni sezoni in 1 °C poleti. V zgornjem metrskem sloju tal se temperatura določi z interpolacijo med temperaturo v globini 1 m in temperaturo na površini.