(Тепло Земли) Теплота грунта

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

В отличие от «прямого» использования высокопотенциалыюго 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.

Земные недра. Земные недра являются бесплатным теплоисточником, поддерживающим одинаковую температуру круглый год. Использование тепла земных недр является экологически чистой, надежной и безопасной технологией.

Буровые работы проходят в течении одного дня. В зависимости от различных факторов скважина должна быть в пределах 60-200 м в глубину. Ее ширина - 10-15 см.

Установка может быть внедрена на участке земли малой площади. Объем восстановительных работ после бурения незначителен, влияние скважины - минимально. Установка не оказывает влияния на уровень грунтовых вод, так как они не задействованы в процессе.

Благодаря теплу, которое содержится в земле, эффективность такого насоса получается довольно высокой. Примерные цифры таковы, что затрачивая 1 кВт электрической энергии на перемещение жидкости и грунт и обратно, можно получать 4-6 кВт энергии на отопление.

Уровень капиталовложений достаточно высок в установку па базе тепла земных недр, но взамен можно получать безопасную в эксплуатации, с максимально длительным сроком службы систему с достаточно высоким коэффициентом преобразования тепла.

Грунтовый источник - близко расположенное тепло. В поверхностном слое земли накапливается тепло в течение лета, эту энергию также имеет смысл использовать для отопления.

Тепло из почвы поставляется посредством пластикового шланга, который укладывается по периметру участка на глубине 1 м. Желательно, чтобы почва была влажной. Но и сухой грунт не доставит больших проблем, однако придется увеличить длину контура. Минимальное расстояние между соседними трубопроводами должно быть около 1 м. Экологически чистая, морозоустойчивая жидкость, циркулирующая в системе, переносит тепло к теплонасосу.

Для получение 10 кВт на отопление необходимо уложить 350- 450 погонных метров трубопровода. Это примерно займет участок 20x20 метров [2.28].

Длина коллектора/высота водного столба (для теплового насоса с источником тепла «земные недра») зависит от многих факторов: среднегодовой региональной температуры, степени покрытия теплонасосом общих энергорасходов, глубины залегания грунтовых вод и величины водного потока.

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.

Рис. 2.4. Схема расноложния теплообменника теплового насоса

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

В капилярно-пористых системах грунтового массива 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 па различных стадиях увлажнения, механизм перемещения влаги в поровом пространстве.

Данные, оценивающие мировой уровень использования низкопотеициальной тепловой энергии Земли посредством тепловых насосов, приведены в таблице 2.1 [2.27].

Таблица 2.1

Мировой уровень использования низкопотенциалыюй тепловой энергии Земли посредством тепловых насосов_

Страна

Установленная электрическая мощность оборудования, МВт

Произведенная энергия, ТДж/год

Австралия

24,0

57,6

Австрия

228,0

1094,0

Болгария

13,3

162,0

Великобритания

0,6

2,7

Венгрия

3,8

20,2

Г ермания

344,0

1149,0

Греция

0.4

3,1

Дания

3,0

20,8

Исландия

4,0

20,0

Италия

1,2

6,4

Канада

360,0

891,0

Литва

21,0

598,8

Нидерланды

10,8

57,4

Норвегия

6,0

31,9

Польша

26,2

108,3

Россия

1,2

11,5

Сербия

6,0

40,0

Словакия

1.4

12,1

Словения

2,6

46,0

США

4 800,0

12 000,0

Турция

0,5

4,0

Финляндия

80,5

484,0

Франция

48,0

255,0

Чехия

8,0

38,2

Швейцария

300,0

1 962,0

Швеция

377,0

4 128,0

Япония

3,9

64,0

Всего:

6 675.4

23 268,9

В качестве источника низкопотеициальной тепловой энергии для теплонасосиых систем теплохладоснабжения может использоваться грунт поверхностных (глубиной до 400 м) слоев Земли. Фактически грунт поверхностных слоев Земли представляет собой тепловой аккумулятор неограниченной емкости, аккумулирующий энергию Солнца.

Тепловой режим грунта поверхностных слоев Земли формируется под действием двух основных факторов - падающей на поверхность солнечной радиации и потоком радиогенной теплоты 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. 2.6). С увеличением глубины температура грунта также увеличивается в соответствии с геотермическим градиентом (примерно 3°С на каждые 100 м). Величина потока радиогенной теплоты, поступающей из земных недр, для разных местностей различается и колеблется в пределах 0,05-0,12 Вт/м". Тепло, поступающее наверх из более глубоких слоев, ниже 15-20 м (т.н. «нейтральной зоны»), формируется из энергии, поступающей из недр земли, и практически не зависит от сезонных изменений климата [2.281.

Схема системы утилизации теплоты грунта с использованием ТНУ, с применением скважин

Рис.2.5. Схема системы утилизации теплоты грунта с использованием ТНУ, с применением скважин

Полезное количество тепла, и, таким образом, площадь необходимой поверхности теплообмена в существенной мере зависят от теплофизических свойств грунта и энергии инсоляции, т.е. от климатических условий. Термические свойства, такие как объемная теплоемкость и теплопроводность, очень сильно зависят от состава и состояния грунта.

Теплоаккумулирующие свойства и теплопроводность тем выше, чем сильнее грунт насыщен водой, чем выше доля минеральных составляющих и чем меньше содержание в нем пор с воздухом. При этом мощность по отбору тепла для грунта находится примерно между 10 и 35 Вт/м" в случае прокладки труб с шагом около 0,5-0,7 м. Удельные тепловые потоки для разных грунтов составляют [2.28]:

сухой песчаный - qe = 10-15 Вт/м"; сырой песчаный - qe = 15- 20 Вт/м2 ;сухой глинистый - qe = 20-25 Вт/м2; сырой глинистый - qe = 25-30 Вт/м2; водоносный слой - qe = 30-35 Вт/м2.

Характерным является тот факт, что колебания температуры слоев грунта запаздывают во времени относительно колебаний температуры наружного воздуха и на некоторой глубине максимальные температуры в грунте наблюдаются в наиболее холодный период года.

При устройстве в грунте системы сбора теплоты, представляющей собой регистр труб с циркулирующим по ним теплоносителем, осуществляется отбор теплоты, накопленной грунтом, и отвод его к снабжаемому теплом зданию или сооружению. Потребляемая энергия компенсируется теплопоступлениями из окружающего грунтового массива, что позволяет продолжительное время использовать грунт в качестве источника низкопотенциалыюй теплоты для испарителей теплонасосных систем отопления.

Большие возможности заключает в себе использование теплоаккумулирующих свойств грунтового массива для систем хладоснабжеиия зданий в жаркий период года. В этом случае грунт охлаждает теплоноситель, нагреваемый внутренним воздухом помещения, и повышает свою температуру. Таким образом, в течение лета грунт накапливает дополнительную теплоту и к отопительному сезону выходит с повышенным температурным потенциалом, что значительно повышает эффективность эксплуатации теплонасосной системы теплохладоснабжения в целом.

График изменения температуры 1рунта в зависимости от глубины

Рис. 2.6. График изменения температуры 1рунта в зависимости от глубины

 
Посмотреть оригинал
< Пред   СОДЕРЖАНИЕ   ОРИГИНАЛ   След >