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.

Температура внутри Земли. Определение температуры в оболочках Земли основывается на различных, часто косвенных данных. Наиболее достоверные температурные данные относятся к самой верхней части земной коры, вскрываемой шахтами и буровыми скважинами до максимальных глубин- 12 км (Кольская скважина).

Нарастание температуры в градусах Цельсия на единицу глубины называют геотермическим градиентом, а глубину в метрах, на протяжении которой температура увеличивается на 1 0 С - геотермической ступенью. Геотермический градиент и соответственно геотермическая ступень изменяются от места к месту в зависимости от геологических условий, эндогенной активности в различных районах, а также неоднородной теплопроводности горных пород. При этом, по данным Б. Гутенберга, пределы колебаний отличаются более чем в 25 раз. Примером тому являются два резко различных градиента: 1) 150 o на 1 км в штате Орегон (США), 2) 6 o на 1 км зарегистрирован в Южной Африке. Соответственно этим геотермическим градиентам изменяется и геотермическая ступень от 6,67 м в первом случае до 167 м - во втором. Наиболее часто встречаемые колебания градиента в пределах 20-50 o , а геотермической ступени -15-45 м. Средний геотермический градиент издавна принимался в 30 o С на 1 км.

По данным В. Н. Жаркова, геотермический градиент близ поверхности Земли оценивается в 20 o С на 1 км. Если исходить из этих двух значений геотермического градиента и его неизменности в глубь Земли, то на глубине 100 км должна была бы быть температура 3000 или 2000 o С. Однако это расходится с фактическими данными. Именно на этих глубинах периодически зарождаются магматические очаги, из которых изливается на поверхность лава, имеющая максимальную температуру 1200-1250 o . Учитывая этот своеобразный "термометр", ряд авторов (В. А. Любимов, В. А. Магницкий) считают, что на глубине 100 км температура не может превышать 1300-1500 o С.

При более высоких температурах породы мантии были бы полностью расплавлены, что противоречит свободному прохождению поперечных сейсмических волн. Таким образом, средний геотермический градиент прослеживается лишь до некоторой относительно небольшой глубины от поверхности (20-30 км), а дальше он должен уменьшаться. Но даже и в этом случае в одном и том же месте изменение температуры с глубиной неравномерно. Это можно видеть на примере изменения температуры с глубиной по Кольской скважине, расположенной в пределах устойчивого кристаллического щита платформы. При заложении этой скважины рассчитывали на геотермический градиент 10 o на 1 км и, следовательно, на проектной глубине (15 км) ожидали температуру порядка 150 o С. Однако такой градиент был только до глубины 3 км, а далее он стал увеличиваться в 1,5-2,0 раза. На глубине 7 км температура была 120 o С, на 10 км -180 o С, на 12 км -220 o С. Предполагается, что на проектной глубине температура будет близка к 280 o С. Вторым примером являются данные по скважине, заложенной в Северном Прикаспии, в районе более активного эндогенного режима. В ней на глубине 500 м температура оказалась равной 42,2 o С, на 1500 м-69,9 o С, на 2000 м-80,4 o С, на 3000 м - 108,3 o С.

Какова же температура в более глубоких зонах мантии и ядра Земли? Более или менее достоверные данные получены о температуре основания слоя В верхней мантии (см. рис. 1.6). По данным В. Н. Жаркова, "детальные исследования фазовой диаграммы Mg 2 SiO 4 - Fe 2 Si0 4 позволили определить реперную температуру на глубине, соответствующей первой зоне фазовых переходов (400 км)" (т.е. перехода оливина в шпинель). Температура здесь в результате указанных исследований около 1600 50 o С.

Вопрос о распределении температур в мантии ниже слоя В и ядре Земли еще не решен, и поэтому высказываются различные представления. Можно только предположить, что температура с глубиной увеличивается при значительном уменьшении геотермического градиента и увеличении геотермической ступени. Предполагают, что температура в ядре Земли находится в пределах 4000-5000 o С.

Средний химический состав Земли. Для суждения о химическом составе Земли привлекаются данные о метеоритах, представляющих собой наиболее вероятные образцы протопланетного материала, из которого сформировались планеты земной группы и астероиды. К настоящему времени хорошо изучено много выпавших на Землю в разные времена и в разных местах метеоритов. По составу выделяют три типа метеоритов: 1)железные, состоящие главным образом из никелистого железа (90-91% Fe), с небольшой примесью фосфора и кобальта; 2) железокаменные (сидеролиты), состоящие из железа и силикатных минералов; 3) каменные, илиаэролиты, состоящие главным образом из железисто-магнезиальных силикатов и включений никелистого железа.

Наибольшее распространение имеют каменные метеориты- около 92,7% всех находок, железокаменные 1,3% и железные 5,6%. Каменные метеориты подразделяют на две группы: а) хондриты с мелкими округлыми зернами - хондрами (90%); б) ахондриты, не содержащие хондр. Состав каменных метеоритов близок к ультраосновным магматическим породам. По данным М. Ботта, в них около 12% железоникелевой фазы.

На основании анализа состава различных метеоритов, а также полученных экспериментальных геохимических и геофизических данных, рядом исследователей дается современная оценка валового элементарного состава Земли, представленная в табл. 1.3.

Как видно из данных таблицы, повышенное распространение относится к четырем важнейшим элементам - О, Fe, Si, Mg, составляющим свыше 91%. В группу менее распространенных элементов входят Ni, S, Ca, A1. Остальные элементы периодической системы Менделеева в глобальных масштабах по общему распространению имеют второстепенное значение. Если сравнить приведенные данные с составом земной коры, то отчетливо видно существенное различие, заключающееся в резком уменьшении О, A1, Si и значительном увеличении Fe, Mg и появлении в заметных количествах S и Ni.

Фигуру Земли называют геоидом. О глубинном строении Земли судят по продольным и поперечным сейсмическим волнам, которые, распространяясь внутри Земли, испытывают преломление, отражение и затухание, что свидетельствует о расслоенности Земли. Выделяют три главные области:

земная кора;

мантия: верхняя до глубины 900 км, нижняя до глубины 2900 км;

ядро Земли внешнее до глубины 5120 км, внутреннее до глубины 6371 км.

Внутреннее тепло Земли связано с распадом радиоактивных элементов - урана, тория, калия, рубидия и др. Средняя, величина теплового потока составляет 1,4-1,5 мккал/см 2. с.

1. Каковы форма и размеры Земли?

2. Какие существуют методы изучения внутреннего строения Земли?

3. Каково внутреннее строение Земли?

4. Какие сейсмические разделы первого порядка четко выделяются при анализе строения Земли?

5. Каким границам соответствуют разделы Мохоровичича и Гутенберга?

6. Какая средняя плотность Земли и как она изменяется на границе мантии и ядра?

7. Как изменяется тепловой поток в различных зонах? Как понимается изменение геотермического градиента и геотермической ступени?

8. По каким данным определяется средний химический состав Земли?

Литература

• Войткевич Г.В. Основы теории происхождения Земли. М., 1988.

• Жарков В.Н. Внутреннее строение Земли и планет. М., 1978.

• Магницкий В.А. Внутреннее строение и физика Земли. М., 1965.

• Очерки сравнительной планетологии. М., 1981.

• Рингвуд А.Е. Состав и происхождение Земли. М., 1981.

"Использование низкопотенциальной тепловой энергии земли в теплонасосных системах"

Васильев Г.П., Научный руководитель ОАО «ИНСОЛАР-ИНВЕСТ», д.т.н., Председатель Совета директоров ОАО « ИНСОЛАР-ИНВЕСТ»
Н. В. Шилкин, инженер, НИИСФ (Москва)

Рациональное использование топливно-энергетических ресурсов представляет сегодня собой одну из глобальных мировых проблем, успешное решение которой, по-видимому, будет иметь определяющее значение не только для дальнейшего развития мирового сообщества, но и для сохранения среды его обитания. Одним из перспективных путей решения этой проблемы является применение новых энергосберегающих технологий , использующих нетрадиционные возобновляемые источники энергии (НВИЭ) Истощение запасов традиционного ископаемого топлива и экологические последствия его сжигания обусловили в последние десятилетия значительное повышение интереса к этим технологиям практически во всех развитых странах мира.

Преимущества технологий теплоснабжения, использующих в сравнении с их традиционными аналогами, связаны не только со значительными сокращениями затрат энергии в системах жизнеобеспечения зданий и сооружений, но и с их экологической чистотой, а также новыми возможностями в области повышения степени автономности систем жизнеобеспечения . По всей видимости, в недалеком будущем именно эти качества будут иметь определяющее значение в формировании конкурентной ситуации на рынке теплогенерирующего оборудования.

Анализ возможных областей применения в экономике России технологий энергосбережения, использующих нетрадиционные источники энергии , показывает, что в России наиболее перспективной областью их внедрения являются системы жизнеобеспечения зданий. При этом весьма эффективным направлением внедрения рассматриваемых технологий в практику отечественного строительства представляется широкое применение теплонасосных систем теплоснабжения (ТСТ) , использующих в качестве повсеместно доступного источника тепла низкого потенциала грунт поверхностных слоев Земли.

При использовании тепла Земли можно выделить два вида тепловой энергии – высокопотенциальную и низкопотенциальную. Источником высокопотенциальной тепловой энергии являются гидротермальные ресурсы – термальные воды, нагретые в результате геологических процессов до высокой температуры, что позволяет их использовать для теплоснабжения зданий. Однако использование высокопотенциального тепла Земли ограничено районами с определенными геологическими параметрами. В России это, например, Камчатка, район Кавказских минеральных вод; в Европе источники высокопотенциального тепла есть в Венгрии, Исландии и Франции.

В отличие от «прямого» использования высокопотенциального тепла (гидротермальные ресурсы), использование низкопотенциального тепла Земли посредством тепловых насосов возможно практически повсеместно. В настоящее время это одно из наиболее динамично развивающихся направлений использования нетрадиционных возобновляемых источников энергии .

Низкопотенциальное тепло Земли может использоваться в различных типах зданий и сооружений многими способами: для отопления, горячего водоснабжения, кондиционирования (охлаждения) воздуха, обогрева дорожек в зимнее время года, для предотвращения обледенения, подогрева полей на открытых стадионах и т. п. В англоязычной технической литературе такие системы обозначаются как «GHP» – «geothermal heat pumps», геотермальные тепловые насосы .

Климатические характеристики стран Центральной и Северной Европы, которые вместе с США и Канадой являются главными районами использования низкопотенциального тепла Земли, определяют главным образом потребность в отоплении; охлаждение воздуха даже в летний период требуется относительно редко. Поэтому, в отличие от США, тепловые насосы в европейских странах работают в основном в режиме отопления. В США тепловые насосы чаще используются в системах воздушного отопления, совмещенного с вентиляцией, что позволяет как подогревать, так и охлаждать наружный воздух. В европейских странах тепловые насосы обычно применяются в системах водяного отопления. Поскольку эффективность тепловых насосов увеличивается при уменьшении разности температур испарителя и конденсатора, часто для отопления зданий используются системы напольного отопления, в которых циркулирует теплоноситель относительно низкой температуры (35–40 оC).

Большинство тепловых насосов в Европе, предназначенных для использования низкопотенциального тепла Земли, оборудовано компрессорами с электрическим приводом.

За последние десять лет количество систем, использующих для тепло- и холодоснабжения зданий низкопотенциальное тепло Земли посредством тепловых насосов , значительно увеличилось. Наибольшее число таких систем используется в США. Большое число таких систем функционируют в Канаде и странах центральной и Северной Европы: Австрии, Германии, Швеции и Швейцарии. Швейцария лидирует по величине использования низкопотенциальной тепловой энергии Земли на душу населения. В России за последние десять лет по технологии и при участии ОАО «ИНСОЛАР-ИНВЕСТ», специализирующегося в этой области, построены лишь единичные объекты, наиболее интересные из которых представлены в .

В Москве в микрорайоне Никулино-2 фактически впервые была построена теплонасосная система горячего водоснабжения многоэтажного жилого дома . Этот проект был реализован в 1998–2002 годах Министерством обороны РФ совместно с Правительством Москвы, Минпромнауки России, Ассоциацией НП «АВОК» и в рамках «Долгосрочной программы энергосбережения в г. Москве» .

В качестве низкопотенциального источника тепловой энергии для испарителей тепловых насосов используется тепло грунта поверхностных слоев Земли , а также тепло удаляемого вентиляционного воздуха. Установка для подготовки горячего водоснабжения расположена в подвале здания. Она включает в себя следующие основные элементы:

• парокомпрессионные теплонасосные установки (ТНУ);
• баки-аккумуляторы горячей воды;
• системы сбора низкопотенциальной тепловой энергии грунта и низкопотенциального тепла удаляемого вентиляционного воздуха;
• циркуляционные насосы, контрольно-измерительную аппаратуру

Основным теплообменным элементом системы сбора низкопотенциального тепла грунта являются вертикальные грунтовые теплообменники коаксиального типа, расположенные снаружи по периметру здания. Эти теплообменники представляют собой 8 скважин глубиной от 32 до 35 м каждая, устроенных вблизи дома. Поскольку режим работы тепловых насосов, использующих тепло земли и тепло удаляемого воздуха, постоянный, а потребление горячей воды переменное, система горячего водоснабжения оборудована баками-аккумуляторами.

Данные, оценивающие мировой уровень использования низкопотенциальной тепловой энергии Земли посредством тепловых насосов, приведены в таблице.

Таблица 1. Мировой уровень использования низкопотенциальной тепловой энергии Земли посредством тепловых насосов

Грунт как источник низкопотенциальной тепловой энергии

В качестве источника низкопотенциальной тепловой энергии могут использоваться подземные воды с относительно низкой температурой либо грунт поверхностных (глубиной до 400 м) слоев Земли . Теплосодержание грунтового массива в общем случае выше. Тепловой режим грунта поверхностных слоев Земли формируется под действием двух основных факторов – падающей на поверхность солнечной радиации и потоком радиогенного тепла из земных недр . Сезонные и суточные изменения интенсивности солнечной радиации и температуры наружного воздуха вызывают колебания температуры верхних слоев грунта. Глубина проникновения суточных колебаний температуры наружного воздуха и интенсивности падающей солнечной радиации в зависимости от конкретных почвенно-климатических условий колеблется в пределах от нескольких десятков сантиметров до полутора метров. Глубина проникновения сезонных колебаний температуры наружного воздуха и интенсивности падающей солнечной радиации не превышает, как правило, 15–20 м.

Температурный режим слоев грунта, расположенных ниже этой глубины («нейтральной зоны»), формируется под воздействием тепловой энергии, поступающей из недр Земли и практически не зависит от сезонных, а тем более суточных изменений параметров наружного климата (рис. 1).

Рис. 1. График изменения температуры грунта в зависимости от глубины

С увеличением глубины температура грунта возрастает в соответствии с геотермическим градиентом (примерно 3 градуса С на каждые 100 м). Величина потока радиогенного тепла, поступающего из земных недр, для разных местностей различается. Для Центральной Европы эта величина составляет 0,05–0,12 Вт/м2 .

В эксплуатационный период массив грунта, находящийся в пределах зоны теплового влияния регистра труб грунтового теплообменника системы сбора низкопотенциального тепла грунта (системы теплосбора), вследствие сезонного изменения параметров наружного климата, а также под воздействием эксплуатационных нагрузок на систему теплосбора, как правило, подвергается многократному замораживанию и оттаиванию. При этом, естественно, происходит изменение агрегатного состояния влаги, заключенной в порах грунта и находящейся в общем случае как в жидкой, так и в твердой и газообразной фазах одновременно. Иначе говоря, грунтовый массив системы теплосбора, независимо от того, в каком состоянии он находится (в мерзлом или талом), представляет собой сложную трехфазную полидисперсную гетерогенную систему, скелет которой образован огромным количеством твердых частиц разнообразной формы и величины и может быть как жестким, так и подвижным, в зависимости от того, прочно ли связаны между собой частицы или же они отделены друг от друга веществом в подвижной фазе. Промежутки между твердыми частицами могут быть заполнены минерализованной влагой, газом, паром и льдом или тем и другим одновременно. Моделирование процессов тепломассопереноса, формирующих тепловой режим такой многокомпонентной системы, представляет собой чрезвычайно сложную задачу, поскольку требует учета и математического описания разнообразных механизмов их осуществления: теплопроводности в отдельной частице, теплопередачи от одной частицы к другой при их контакте, молекулярной теплопроводности в среде, заполняющей промежутки между частицами, конвекции пара и влаги, содержащихся в поровом пространстве, и многих других.

Особо следует остановиться на влиянии влажности грунтового массива и миграции влаги в его поровом пространстве на тепловые процессы, определяющие характеристики грунта как источника низкопотенциальной тепловой энергии.

В капилярно-пористых системах, каковой является грунтовый массив системы теплосбора, наличие влаги в поровом пространстве оказывает заметное влияние на процесс распространения тепла. Корректный учет этого влияния на сегодняшний день сопряжен со значительными трудностями, которые прежде всего связаны с отсутствием четких представлений о характере распределения твердой, жидкой и газообразной фаз влаги в той или иной структуре системы. До сих пор не выяснены природа сил связи влаги с частицами скелета, зависимость форм связи влаги с материалом на различных стадиях увлажнения, механизм перемещения влаги в поровом пространстве.

При наличии в толще грунтового массива температурного градиента молекулы пара перемещаются к местам, имеющим пониженный температурный потенциал, но в то же время под действием гравитационных сил возникает противоположно направленный поток влаги в жидкой фазе. Кроме этого, на температурный режим верхних слоев грунта оказывает влияние влага атмосферных осадков, а также грунтовые воды.

Основные факторы, под воздействием которых формируются температурный режим грунтового массива систем сбора низкопотенциального тепла грунта, приведены на рис. 2.

Рис. 2. Факторы, под воздействием которых формируются температурный режим грунта

Виды систем использования низкопотенциальной тепловой энергии Земли

Грунтовые теплообменники связывают теплонасосное оборудование с грунтовым массивом. Кроме «извлечения» тепла Земли, грунтовые теплообменники могут использоваться и для накопления тепла (или холода) в грунтовом массиве.

В общем случае можно выделить два вида систем использования низкопотенциальной тепловой энергии Земли :

• открытые системы: в качестве источника низкопотенциальной тепловой энергии используются грунтовые воды, подводимые непосредственно к тепловым насосам;
• замкнутые системы: теплообменники расположены в грунтовом массиве; при циркуляции по ним теплоносителя с пониженной относительно грунта температурой происходит «отбор» тепловой энергии от грунта и перенос ее к испарителю теплового насоса (или, при использовании теплоносителя с повышенной относительно грунта температурой, его охлаждение).

Основная часть открытых систем – скважины, позволяющие извлекать грунтовые воды из водоносных слоев грунта и возвращать воду обратно в те же водоносные слои. Обычно для этого устраиваются парные скважины. Схема такой системы приведена на рис. 3.

Рис. 3. Схема открытой системы использования низкопотенциальной тепловой энергии грунтовых вод

Достоинством открытых систем является возможность получения большого количества тепловой энергии при относительно низких затратах. Однако скважины требуют обслуживания. Кроме этого, использование таких систем возможно не во всех местностях. Главные требования к грунту и грунтовым водам таковы:

• достаточная водопроницаемость грунта, позволяющая пополняться запасам воды;
• хороший химический состав грунтовых вод (например, низкое железосодержание), позволяющий избежать проблем, связанных с образованием отло- жение на стенках труб и коррозией.

Открытые системы чаще используются для тепло- или холодоснабжения крупных зданий. Самая большая в мире геотермальная теплонасосная система использует в качестве источника низкопотенциальной тепловой энергии грунтовые воды. Эта система расположена в США в г. Луисвилль (Louisville), штат Кентукки. Система используется для тепло- и холодоснабжения гостиничноофисного комплекса; ее мощность составляет примерно 10 МВт.

Иногда к системам, использующим тепло Земли, относят и системы использования низкопотенциального тепла открытых водоемов, естественных и искусственных. Такой подход принят, в частности, в США. Системы, использующие низкопотенциальное тепло водоемов, относятся к открытым, как и системы, использующие низкопотенциальное тепло грунтовых вод.

Замкнутые системы, в свою очередь, делятся на горизонтальные и вертикальные.

Горизонтальный грунтовой теплообменник (в англоязычной литературе используются также термины «ground heat collector» и «horizontal loop») устраивает- ся, как правило, рядом с домом на небольшой глубине (но ниже уровня промерзания грунта в зимнее время). Использование горизонтальных грунтовых теплообменников ограничено размерами имеющейся площадки.

В странах Западной и Центральной Европы горизонтальные грунтовые теплообменники обычно представляют собой отдельные трубы, положенные относительно плотно и соединенные между собой последовательно или параллельно (рис. 4а, 4б). Для экономии площади участка были разработаны усовершенствованные типы теплообменников, например, теплообменники в форме спирали, расположенной горизонтально или вертикально (рис 4д, 4е). Такая форма теплообменников распространена в США.

Рис. 4. Виды горизонтальных грунтовых теплообменников
а – теплообменник из последовательно соединенных труб;
б – теплообменник из параллельно соединенных труб;
в – горизонтальный коллектор, уложенный в траншее;
г – теплообменник в форме петли;
д – теплообменник в форме спирали, расположенной горизонтально (так называемый «slinky» коллектор;
е – теплообменник в форме спирали, расположенной вертикально

Если система с горизонтальными теплообменниками используется только для получения тепла, ее нормальное функционирование возможно только при условии достаточных теплопоступлений с поверхности земли за счет солнечной радиации. По этой причине поверхность выше теплообменников должна быть подвержена воздействию солнечных лучей.

Вертикальные грунтовые теплообменники (в англоязычной литературе принято обозначение «BHE» – «borehole heat exchanger») позволяют использовать низкопотенциальную тепловую энергию грунтового массива, лежащего ниже «нейтральной зоны» (10–20 м от уровня земли). Системы с вертикальными грунтовыми теплообменниками не требуют участков большой площади и не зависят от интенсивности солнечной радиации, падающей на поверхность. Вертикальные грунтовые теплообменники эффективно работают практически во всех видах геологических сред, за исключением грунтов с низкой теплопро- водностью, например, сухого песка или сухого гравия. Системы с вертикальными грунтовыми теплообменниками получили очень широкое распространение.

Схема отопления и горячего водоснабжения одноквартирного жилого дома посредством теплонасосной установки с вертикальным грунтовым теплообменником приведена на рис. 5.

Рис. 5. Схема отопления и горячего водоснабжения одноквартирного жилого дома посредством теплонасосной установки с вертикальным грунтовым теплообменником

Теплоноситель циркулирует по трубам (чаще всего полиэтиленовым или полипропиленовым), уложенным в вертикальных скважинах глубиной от 50 до 200 м. Обычно используется два типа вертикальных грунтовых теплообменников (рис. 6):

• U-образный теплообменник, представляющие собой две параллельные трубы, соединенные в нижней части. В одной скважине располагаются одна или две (реже три) пары таких труб. Преимуществом такой схемы является относительно низкая стоимость изготовления. Двойные U-образные теплообменники – наиболее широко используемый в Европе тип вертикальных грунтовых теплообменников.
• Коаксиальный (концентрический) теплообменник. Простейший коаксиальный теплообменник представляет собой две трубы различного диаметра. Труба меньшего диаметра располагается внутри другой трубы. Коаксиальные теплообменники могут быть и более сложных конфигураций.

Рис. 6. Сечение различных типов вертикальных грунтовых теплообменников

Для увеличения эффективности теплообменников пространство между стенками скважины и трубами заполняется специальными теплопроводящими материалами.

Системы с вертикальными грунтовыми теплообменниками могут использоваться для тепло- и холодоснабжения зданий различных размеров. Для небольшого здания достаточно одного теплообменника; для больших зданий может потребоваться устройство целой группы скважин с вертикальными теплообменниками. Самое большое в мире число скважин используется в системе тнепло- и холодоснабжения «Richard Stockton College» в США в штате Нью-Джерси. Вертикальные грунтовые теплообменники этого колледжа располагают- ся в 400 скважинах глубиной 130 м. В Европе наибольшее число скважин (154 скважины глубиной 70 м) используются в системе тепло- и холодоснабжения центрального офиса Германской службы управления воздушным движением («Deutsche Flug-sicherung»).

Частным случаем вертикальных замкнутых систем является использование в качестве грунтовых теплообменников строительных конструкций, например фундаментных свай с замоноличенными трубопроводами. Сечение такой сваи с тремя контурами грунтового теплообменника приведено на рис. 7.

Рис. 7. Схема грунтовых теплообменников, замоноличенных в фундаментные сваи здания и поперечное сечение такой сваи

Грунтовой массив (в случае вертикальных грунтовых теплообменников) и строительные конструкции с грунтовыми теплообменниками могут использоваться не только как источник, но и как естественный аккумулятор тепловой энергии или «холода», например тепла солнечной радиации.

Существуют системы , которые нельзя однозначно отнести к открытым или замкнутым. Например, одна и та же глубокая (глубиной от 100 до 450 м) скважина, заполненная водой, может быть как эксплуатационной, так и нагнетательной. Диаметр скважины обычно составляет 15 см. В нижнюю часть скважины помещается насос, посредством которого вода из скважины подается к испарителям теплового насоса. Обратная вода возвращается в верхнюю часть водяного столба в ту же скважину. Происходит постоянная подпитка скважины грунтовыми водами, и открытая система работает подобно замкнутой. Системы такого типа в англоязычной литературе носят название «standing column well system» (рис. 8).

Рис. 8. Схема скважины типа «standing column well»

Обычно скважины такого типа используются и для снабжения здания питьевой водой . Однако такая система может работать эффективно только в почвах, которые обеспечивают постоянную подпитку скважины водой, что предотвращает ее замерзание. Если водоносный горизонт залегает слишком глубоко, для нормального функционирования системы потребуется мощный насос, требующий повышенных затрат энергии. Большая глубина скважины обуславливает достаточно высокую стоимость подобных систем, поэтому они не используются для тепло- и холодоснабжения небольших зданий. Сейчас в мире функционирует несколько таких систем в США, Германии и Европе.

Одно из перспективных направлений – использование в качестве источника низкопотенциальной тепловой энергии воды из шахт и туннелей. Температура этой воды постоянна в течение всего года. Вода из шахт и туннелей легко доступна.

«Устойчивость» систем использования низкопотенциального тепла Земли

При эксплуатации грунтового теплообменника может возникнуть ситуация, когда за время отопительного сезона температура грунта вблизи грунтового теплообменника понижается, а в летний период грунт не успевает прогреться до начальной температуры – происходит понижение его температурного потенциала. Потребление энергии в течение следующего отопительного сезона вызывает еще большее понижение температуры грунта, и его температурный потенциал еще больше снижается. Это заставляет при проектировании систем использования низкопотенциального тепла Земли рассматривать проблему «устойчивости» (sustainability) таких систем. Часто энергетические ресурсы для снижения периода окупаемости оборудования эксплуатируются очень интенсивно, что может привести к их быстрому истощению. Поэтому необходимо поддерживать такой уровень производства энергии, который бы позволил эксплуатировать источник энергетических ресурсов длительное время. Эта способность систем поддерживать требуемый уровень производства тепловой энергии длительное время называется «устойчивостью» (sustainability). Для систем использования низкопотенциального тепла Земли дано следующее определение устойчивости : «Для каждой системы использования низкопотенциального тепла Земли и для каждого режима работы этой системы существует некоторый максимальный уровень производства энергии; производство энергии ниже этого уровня можно поддерживать длительное время (100–300 лет)».

Проведенные в ОАО «ИНСОЛАР-ИНВЕСТ» исследования показали, что потребление тепловой энергии из грунтового массива к концу отопительного сезона вызывает вблизи регистра труб системы теплосбора понижение температуры грунта, которое в почвенно-климатических условиях большей части территории России не успевает компенсироваться в летний период года, и к началу следующего отопительного сезона грунт выходит с пониженным температурным потенциалом. Потребление тепловой энергии в течение следующего отопительного сезона вызывает дальнейшее снижение температуры грунта, и к началу третьего отопительного сезона его температурный потенциал еще больше отличается от естественного. И так далее. Однако огибающие теплового влияния многолетней эксплуатации системы теплосбора на естественный температурный режим грунта имеют ярко выраженный экспоненциальный характер, и к пятому году эксплуатации грунт выходит на новый режим, близкий к периодическому, то есть, начиная с пятого года эксплуатации, многолетнее потребление тепловой энергии из грунтового массива системы теплосбора сопровождается периодическими изменениями его температуры. Таким образом, при проектировании теплонасосных систем теплоснабжения представляется необходимым учет падения температур грунтового массива, вызванного многолетней эксплуатацией системы теплосбора, и использование в качестве расчетных параметров температур грунтового массива, ожидаемых на 5-й год эксплуатации ТСТ .

В комбинированных системах , используемых как для тепло-, так и для холодоснабжения, тепловой баланс устанавливается «автоматически»: в зимнее время (требуется теплоснабжение) происходит охлаждение грунтового массива, в летнее время (требуется холодоснабжение) – нагрев грунтового массива. В системах, использующих низкопотенциальное тепло грунтовых вод, происходит постоянное пополнение водных запасов за счет воды, просачивающейся с поверхности, и воды, поступающей из более глубоких слоев грунта. Таким образом, теплосодержание грунтовых вод увеличивается как «сверху» (за счет тепла атмосферного воздуха), так и «снизу» (за счет тепла Земли); величина теплопоступлений «сверху» и «снизу» зависит от толщины и глубины залегания водоносного слоя. За счет этих теплопоступлений температура грунтовых вод остается постоянной в течение всего сезона и мало меняется в процессе эксплуатации.

В системах с вертикальными грунтовыми теплообменниками ситуация иная. При отводе тепла температура грунта вокруг грунтового теплообменника понижается. На понижение температуры влияет как особенности конструкции теплообменника, так и режим его эксплуатации. Например, в системах с высокими величинами отводимой тепловой энергии (несколько десятков ватт на метр длины теплообменника) или в системах с грунтовым теплообменником, расположенным в грунте с низкой теплопроводностью (например, в сухом песке или сухом гравии) понижение температуры будет особенно заметным и может привести к замораживанию грунтового массива вокруг грунтового теплообменника.

Немецкие специалисты провели измерения температуры грунтового массива, в котором устроен вертикальный грунтовой теплообменник глубиной 50 м, расположенный недалеко от Франкфурта-на-Майне. Для этого вокруг основной скважины на расстоянии 2,5, 5 и 10 м от было пробурено 9 скважин той же глубины. Во всех десяти скважинах через каждые 2 м устанавливались датчики для измерения температуры – всего 240 датчиков. На рис. 9 приведены схемы, показывающие распределение температур в грунтовом массиве вокруг вертикального грунтового теплообменника в начале и по окончании первого отопительного сезона. В конце отопительного сезона хорошо заметно уменьшение температуры грунтового массива вокруг теплообменника. Возникает тепловой поток, направленный к теплообменнику из окружающего грунтового массива, который частично компенсирует снижение температуры грунта, вызванное «отбором» тепла. Величина этого потока по сравнению с величиной потока тепла из земных недр в данной местности (80–100 мВт/кв.м) оценивается достаточно высоко (несколько ватт на квадратный метр).

Рис. 9. Схемы распределения температур в грунтовом массиве вокруг вертикального грунтового теплообменника в начале и в конце первого отопительного сезона

Поскольку относительно широкое распространение вертикальные теполообменники стали получать примерно 15–20 лет назад, во всем мире ощущается недостаток экспериментальных данных, полученных при длительных (несколько десятков лет) сроках эксплуатации систем с теплообменниками такого типа. Возникает вопрос об устойчивости этих систем, об их надежности при длительных сроках эксплуатации. Является ли низкопотенциальное тепло Земли во- зобновляемым источником энергии? Каков период «возобновления» этого источника?

При эксплуатации сельской школы в Ярославской области , оборудованной теплонасосной системой , использующей вертикальный грунтовый теплообменник, средние значения удельного теплосъема находились на уровне 120–190 Вт/пог. м длины теплообменника.

С 1986 года в Швейцарии неподалеку от Цюриха проводились исследования системы с вертикальными грунтовыми теплообменниками . В грунтовом массиве был устроен вертикальный грунтовой теплообменник коаксиального типа глубиной 105 м. Этот теплообменник использовался в качестве источника низкопотенциальной тепловой энергии для теплонасосной системы, установленной в одноквартирном жилом доме. Вертикальный грунтовой теплообменник обеспечивал пиковую мощность примерно 70 Вт на каждый метр длины, что создавало значительную тепловую нагрузку на окружающий грунтовой массив. Годовое производство тепловой энергии составляет около 13 МВт ч

На расстоянии 0,5 и 1 м от основной скважины были пробурены две дополнительных, в которых на глубине в 1, 2, 5, 10, 20, 35, 50, 65, 85 и 105 м установлены датчики температуры, после чего скважины были заполнены глинисто-цементной смесью. Температура измерялась каждые тридцать минут. Кроме температуры грунта фиксировались и другие параметры: скорость движения теплоносителя, потребление энергии приводом компрессора теплового насоса, температура воздуха и т. п.

Первый период наблюдений продолжался с 1986 по 1991 год. Измерения показали, что влияние тепла наружного воздуха и солнечной радиации отмечается в поверхностном слое грунта на глубине до 15 м. Ниже этого уровня тепловой режим грунта формируется главным образом за счет тепла земных недр. За первые 2–3 года эксплуатации температура грунтового массива , окружающего вертикальный теплообменник, резко понизилась, однако с каждым годом понижение температуры уменьшалось, и через несколько лет система вышла на режим, близкий к постоянному, когда температура грунтового массива вокруг теплообменника стала ниже первоначальной на 1–2 оC.

Осенью 1996 года, через десять лет после начала эксплуатации системы, измерения были возобновлены. Эти измерения показали, что температура грунта существенным образом не изменилась. В последующие годы были зафиксированы незначительные колебания температуры грунта в пределах 0,5 градусов C в зависимости от ежегодной отопительной нагрузки. Таким образом, система вышла на квазистационарный режим после первых нескольких лет эксплуатации.

На основании экспериментальных данных были построены математические модели процессов, проходящих в грунтовом массиве, что позволило сделать долгосрочный прогноз изменения температуры грунтового массива.

Математическое моделирование показало, что ежегодное понижение температуры будет постепенно уменьшаться, а объем грунтового массива вокруг теплообменника, подверженного понижению температуры, с каждым годом будет увеличиваться. По окончании периода эксплуатации начинается процесс регенерации: температура грунта начинает повышаться. Характер протекания процесса регенерации подобен характеру процесса «отбора» тепла: в первые годы эксплуатации происходит резкое повышение температуры грунта, а в последующие годы скорость повышения температуры уменьшается. Продолжительность периода «регенерации» зависит от продолжительности периода эксплуатации. Эти два периода примерно одинаковы. В рассматриваемом случае период эксплуатации грунтового теплообменника равнялся тридцати годам, и период «регенерации» также оценивается в тридцать лет.

Таким образом, системы тепло- и холодоснабжения зданий, использующие низкопотенциальное тепло Земли, представляют собой надежный источник энергии, который может быть использован повсеместно. Этот источник может использоваться в течение достаточно длительного времени, и может быть возобновлен по окончании периода эксплуатации.

Литература

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

2. Васильев Г.П., Крундышев Н.С. Энергоэффективная сельская школа в Ярославской области. АВОК №5, 2002

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

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

5. ORKUSTOFNUN Working Group, Iceland (2001): Sustainable production of geothermal energy – suggested definition. IGA News no. 43, January-March 2001, 1-2

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

7. Saving energy with Residential Heat Pumps in Cold Climates. Maxi Brochure 08. CADDET, 1997

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

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

10. Fearon J. The history and development of the heat pump, Refrigeration and Air Conditioning. 1978

11. Васильев Г.П. Энергоэффективные здания с теплонасосными системами теплоснабжения. Журнал «ЖКХ», №12, 2002

12. Руководство по применению тепловых насосов с использованием вторичных энергетических ресурсов и нетрадиционных возобновляемых источников энергии. Москомархитектура. ГУП «НИАЦ», 2001

13. Энергоэффективный жилой дом в Москве. АВОК №4, 1999 г.

14. Васильев Г.П. Энергоэффективный экспериментальный жилой дом в микрорайоне Никулино-2. АВОК №4, 2002

Температура грунта непрерывно изменяется по глубине и во времени. Она зависит от целого ряда факторов, из которых многие трудно поддаются учету. К последним, например, относится: характер растительности, экспозиция склона по сторонам света, затененность, снеговой покров, характер самих грунтов, наличие надмерзлотных вод и др. Однако температура грунта, как по величине, так и по характеру распределения сохраняется из года в год достаточно устойчиво, и решающее влияние здесь остается за температурой воздуха.

Температура грунта на разных глубинах и в различные периоды года может быть получена непосредственными измерениями в термоскважинах, которые закладываются в процессе изысканий. Но такой способ требует длительных наблюдений и значительных расходов, что не всегда оправдано. Полученные по одной-двум скважинам данные распространяются на большие площади и протяжения, значительно искажая действительность так, что расчетные данные о температуре грунта во многих случаях оказываются более надежными.

Температура грунта вечномерзлой толщи на любой глубине (до 10 м от поверхности) и на любой период года может быть определена по формуле:

tr = mt°, (3.7)

где z – глубина, отсчитываемая от ВГМ, м;

tr – температура грунта на глубине z, в град.

τr– время равное году (8760 ч);

τ - время, отсчитываемое вперед (через 1 января) от момента начала осеннего замерзания грунта до момента, для которого ведется отсчет температуры, в ч;

еxp х – экспонента (показательная функция exp берется по таблицам);

m – коэффициент, зависящий от периода года (для периода октябрь – май m = 1,5-0,05z, а для периода июнь- сентябрь m = 1)

Самая низкая температура на заданной глубине будет тогда, когда косинус в формуле (3.7) станет равным -1, т. е. минимальная температура грунта за год на данной глубине составит

tr мин = (1,5-0,05z) t°, (3.8)

Максимальная температура грунта на глубине z ,будет тогда, когда косинус примет значение, равное единице т.е.

tr макс = t°, (3.9)

Во всех трех формулах значение объемной теплоемкости С м следует рассчитывать для температуры грунта t° по формуле (3.10).

С 1 м = 1/W, (3.10)

Температуру грунта в слое сезонного оттаивания можно также определить расчетом, приняв во внимание, что изменение температуры в этом слое достаточно точно апроксимируется линейной зависимостью при следующих температурных градиентах (табл.3.1).

Рассчитав по одной из формул (3.8) – (3.9) температуру грунта на уровне ВГМ, т.е. положив в формулах Z=0, затем с помощью таблицы 3.1 определяем температуру грунта на заданной глубине в слое сезонного оттаивания. В самых верхних слоях грунта, примерно до 1 м от поверхности, характер температурных колебаний очень сложен.

Таблица 3.1

Температурный градиент в слое сезонного оттаивания на глубине ниже 1 м от поверхности земли

Примечание. Знак градиента показан в направлении к дневной поверхности.

Чтобы получить расчетную температуру грунта в метровом слое от поверхности, можно поступить следующим образом. Вычислить температуру на глубине 1 м и температуру дневной поверхности грунта, а затем путем интерполяции по этим двум значениям определить температуру на заданной глубине.

Температуру на поверхности грунта t п в холодный период года можно принимать равной температуре воздуха. В летний период:

t п = 2+1,15 t в, (3.11)

где t п - температура на поверхности в град.

t в – температура воздуха в град.

Температура грунта при несливающейся криолитозоне рассчитывается иначе, чем при сливающейся. Практически можно считать, что температура на уровне ВГМ будет равна 0°С в течении всего года. Расчетную температуру грунта вечномерзлой толщи на заданной глубине можно определить интерполяцией, считая, что она меняется на глубине по линейному закону от t° на глубине 10 м до 0°С на глубине залегания ВГМ. Температуру в талом слое h т можно принимать от 0,5 до 1,5°С.

В слое сезонного промерзания h п температуру грунта можно вычислить так же, как для слоя сезонного оттаивания сливающейся криолитозоны, т.е. в слое h п – 1 м по температурному градиенту (табл. 3.1), считая температуру на глубине h п равной 0°С в холодный период года и 1°С в летнее время. В верхнем метровом слое грунта температура определяется по интерполяции между температурой на глубине 1 м и температурой на поверхности.

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)