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)

Для моделирования температурных полей и для других расчётов необходимо узнать температуру грунта на заданной глубине.

Температуру грунта на глубине измеряют с помощью вытяжных почвенно- глубинных термометров. Это плановые исследования, которые регулярно проводят метеорологические станции. Данные исследований служат основой для климатических атласов и нормативной документации.

Для получения температуры грунта на заданной глубине можно попробовать, например, два простых способа. Оба способа заключаются в использовании справочной литературы:

1. Для приближённого определения температуры можно использовать документ ЦПИ-22. «Переходы железных дорог трубопроводами». Здесь в рамках методики теплотехнического расчёта трубопроводов приводится таблица 1, где для определённых климатических районов приводятся величины температур грунта в зависимости от глубины измерения. Эту таблицу я привожу здесь ниже.

Таблица 1

1. Таблица температур грунта на различных глубинах из источника «в помощь работнику газовой промышленности» еще времён СССР

Нормативные глубины промерзания для некоторых городов:

Глубина промерзания грунта зависит от типа грунта:

Я думаю, что самый простой вариант, это воспользоваться вышеуказанными справочными данными, а затем интерполировать.

Самый надёжный вариант для точных расчётов с использованием температур грунта — воспользоваться данными метеорологических служб. На базе метеорологических служб работают некоторые онлайн справочники. Например, http://www.atlas-yakutia.ru/.

Здесь достаточно выбрать населённый пункт, тип грунта и можно получить температурную карту грунта или её данные в табличной форме. В принципе, удобно, но похоже этот ресурс платный.

Если Вы знаете ещё способы определения температуры грунта на заданной глубине, то, пожалуйста, пишите комментарии.

Возможно Вам будет интересен следующий материал:

Самая большая трудность - избежать патогенной микрофлоры. А это сложно сделать в среде влагонасыщенной и достаточно теплой. Даже в самых лучших погребах всегда есть плесень. Посему нужна система регулярно используемой очистки труб от всякой гадости, накапливающейся на стенках. А сделать это при 3-х метровом залождении не так уж и просто. На ум в первую очередь приходит механический способ - ёршик. Как для чистки дымовых труб. С использованием какой-то жидкой химии. Или газ. Если прокачать через трубу фозген к примеру, то всё подохнет и на пару месяцев возможно этого хватит. Но любой газ вступает в хим. реакции с влагой в трубе и соответственно оседает в ней, что заставляет проветривать долго. А долгое проветривание приведет к восстановлению патогенов . Тут нужен грамотный подход со знанием современных средств чистки.

Вообщем подписьіваюсь под кажньім словом! (правда не знаю чему тут радоваться).

В данной системе я вижу несколько вопросов которьіе предстоит решить:

1. Достаточно ли длиньі данного теплообменника для еффективного его использования (какой то еффект ессно будет, но не ясно какой)
2. Конденсат. Зимой его не будет, так как по трубе будет прокачиваться холодньій воздух. Конденсат будет вьіпадать с внешней стороньі трубьі - в земле (она теплее). Но вот летом... Проблема КАК вьікачивать конденсат из под глубиньі 3м - уже додумался на стороне збора конденсата сделать герметичньій колодец-стакан для сбора конденсата. В него устанавливать насос которьій будет периодично откачивать конденсат...
3. Предполагается, что канализационньіе трубьі (пластиковьіе) - герметичньі. Если так, то грунтовьіе водьі вокруг не должньі проникать внуть и не должньі влиять на влажность воздуха. Поетому я полагаю влажности (как в подвале) там не будет. По крайней мере зимой. Я думаю подвал влажньій из за плохого проветривания. Плесень не любит солнечньій свет и сквозняки (в трубе будут сквозняки ). А теперь вопрос - НАСКОЛЬКО герметичньі канализационньіе трубьі в земле? На сколько лет мне их хватит? Дело в том что данньій проект сопутствующий - траншея копается для канализации (будет на глубине 1-1.2м) потом изоляция (пенополистирол) и глуже - земельньій аккумулятор). А значит данная система неремонтопригодна при разгерметизации - я ее вьікапьівать не буду - просто засьіплю землей и все.
4. Чистка труб. Думал в нижней точке делать смотровой колодец. сейчас "интузизизма" по етому поводу меньше - грунтовьіе водьі - может оказатся что его затопит и толку будет НОЛЬ. Без колодца вариантов не так то много:
а. с двух сторон делаются ревизии (для каждой 110мм трубьі), которьіе вьіходят на поверхность, в трубьі протягьівается нержавеющий тросик. Для чистки к нему крепим квач. Минусьі - на поверхность вьіходит куча труб, котоьіе будут влиять на температурньій и гидродинамический режим работьі аккумулятора.
б. периодически затапливать трубьі водой с хлоркой, например (или другим дезинфицирующим средством), откачивая воду из конденсационного колодца на другом конце труб. Потом сушка труб воздухом (возможно ревесньім режимом - из дома наружу, хотя такая идея мне не очень нравится).
5. Плесени не будет (сквозняк). а вот другие микроорганизмьі которьіе живут в пьіли - очень даже. Есть надежда на зимний режим - холодньій сухой воздух хорошо дезинфицирует. Вариант защитьі - фильтр на вьіходе из аккумулятора. Или ультрафиолет (дорого)
6. Насколько сильно напряжно гонять воздух по такой конструкции?
Фильтр (мелкая сетка) на входе
-> поворот на 90градусов вниз
-> 4м 200мм труба вниз
-> разделение потока на 4 110мм трубьі
-> 10 метров по горизонтали
-> поворот на 90градусов вниз
-> 1 метр вниз
-> поворот на 90градусов
-> 10 метров по горизонтали
-> сбор потока в 200мм трубу
-> 2 метра вверх
-> поворот на 90градусов (в дом)
-> фильтр бумажньій или тканевой карманньій
-> вентилятор

Имеем 25м труб, 6 поворотов на 90 градусов(поворотьі можно делать плавнее - 2х45), 2 фильтра. Хочется 300-400м3/ч. Скорость потока ~4м/сек

Представьте себе дом, в котором всегда поддерживается комфортная температура, а систем обогрева и охлаждения не видно. Эта система работает эффективно, но не требует сложного обслуживания или специальных знаний от владельцев.

Свежий воздух, Вы можете слышать щебетание птиц и ветер, лениво играющий листьями на деревьях. Дом получает энергию с земли, подобно листьям, которые получают энергию от корней. Прекрасная картина, не так ли?

Системы геотермального нагревания и охлаждения делают эту картину реальностью. Геотермальная НВК система (нагревание, вентиляция и кондиционирование) использует температуру земли, чтобы обеспечить нагревание зимой и охлаждение летом.

Как работает геотермальное нагревание и охлаждение

Температура окружающей среды меняется вместе со сменой пор года, но подземная температура меняется не так существенно благодаря изолирующим свойствам земли. На глубине 1,5-2 метра температура остается относительно постоянной круглый год. Геотермальная система, как правило, состоит из внутреннего оборудования для обработки, подземной системы труб, называемой подземной петлей, и/или насоса для циркуляции воды. Система использует постоянную температуру земли, чтобы обеспечить «чистую и бесплатную» энергию.

(Не путайте понятие геотермальной НВК системы с «геотермальной энергией» - процессом, при котором электричество производится непосредственно из высокой температуры в земле. В последнем случае используется оборудование другого типа и другие процессы, целью которых обычно является нагревание воды до температуры кипения.)

Трубы, которые составляют подземную петлю, обычно делаются из полиэтилена и могут быть расположены под землей горизонтально или вертикально, в зависимости от особенностей местности. Если доступен водоносный слой, то инженеры могут спроектировать систему «разомкнутого контура», для этого необходимо пробурить скважину к грунтовым водам. Вода выкачивается, проходит через теплообменник, и затем закачивается в тот же водоносный слой посредством «повторного закачивания».

Зимой вода, проходя через подземную петлю, поглощает тепло земли. Внутреннее оборудование дополнительно повышает температуру и распределяет ее по всему зданию. Это похоже на кондиционер, работающий наоборот. Летом геотермальная НВК система забирает воду с высокой температурой из здания и несет ее через подземную петлю/насос к скважине повторного закачивания, откуда вода попадает в более прохладную землю/водоносный слой.

В отличие от обычных систем нагревания и охлаждения, геотермальные НВК системы не используют ископаемое топливо, чтобы выработать тепло. Они просто берут высокую температуру из земли. Как правило, электроэнергия используется только для работы вентилятора, компрессора и насоса.

В геотермальной системе охлаждения и отопления есть три главных компонента: тепловой насос, жидкая среда теплообмена (разомкнутая или замкнутая система) и система подачи воздуха (система труб).

Для геотермальных тепловых насосов, а также для всех остальных типов тепловых насосов, было измерено соотношение их полезного действия к затраченной для этого действия энергии (КПД). Большинство геотермальных систем тепловых насосов имеют КПД от 3.0 до 5.0. Это означает, что одну единицу энергии система преобразует в 3-5 единиц тепла.

Геотермальные системы не требуют сложного обслуживания. Правильно установленная, что очень важно, подземная петля может исправно служить в течение нескольких поколений. Вентилятор, компрессор и насос размещены в закрытом помещении и защищены от переменчивых погодных условий, таким образом, их срок эксплуатации может длиться много лет, часто десятилетий. Обычные периодические проверки, своевременная замена фильтра и ежегодная очистка катушки являются единственным необходимым обслуживанием.

Опыт использования геотермальных НВК систем

Геотермальные НВК системы используются уже больше 60 лет во всем мире. Они работают с природой, а не против нее, и они не выделяют парниковых газов (как отмечалось ранее, они используют меньше электричества, потому что используют постоянную температуру земли).

Геотермальные НВК системы все чаще становятся атрибутами экологичных домов, как часть набирающего популярность движения зеленого строительства. Зеленые проекты составили 20 процентов всех построенных домов в США за прошлый год. В одной из статей в Wall Street Journal говорится о том, что к 2016 году бюджет зеленого строительства вырастет от 36 миллиардов долларов в год до 114 миллиардов. Это составит 30-40 процентов всего рынка недвижимости.

Но большая часть информации о геотермальном нагревании и охлаждении основана на устаревших данных или необоснованных мифах.

Разрушение мифов о геотермальных НВК системах

1. Геотермальные НВК системы не являются возобновляемой технологией, потому что они используют электричество.

Факт: Геотермальные НВК системы используют только одну единицу электричества, чтобы произвести до пяти единиц охлаждения или нагревания.

2. Солнечная энергия и энергия ветра являются более благоприятными возобновляемыми технологиями по сравнению с геотермальными НВК системами.

Факт: Геотермальные НВК системы за один доллар перерабатывают в четыре раза больше киловатт/часов, чем энергия солнца или ветра вырабатывает за тот же доллар. Эти технологии могут, конечно, играть важную роль для экологии, но геотермальная НВК система зачастую является самым эффективным и экономным способом уменьшить воздействие на окружающую среду.

3. Для геотермальной НВК системы требуется много места, чтобы разместить полиэтиленовые трубы подземной петли.

Факт: В зависимости от особенностей местности, подземная петля может быть расположена вертикально, что означает необходимость в небольшой наземной поверхности. Если же есть доступный водоносный слой, то нужно всего несколько квадратных футов на поверхности. Заметьте, что вода возвращается в тот же водоносный слой, из которого она и была взята, после того, как прошла через теплообменник. Таким образом, вода не является стоковой и не загрязняет водоносный слой.

4. Геотермальные тепловые насосы НВК являются шумными.

Факт: Системы работают очень тихо, и снаружи нет никакого оборудования, чтобы не беспокоить соседей.

5. Геотермальные системы в конечном итоге «стираются».

Факт: Подземные петли могут служить в течение нескольких поколений. Оборудование теплообмена, как правило, служит десятилетиями, так как оно защищено в закрытом помещении. Когда наступает момент необходимой замены оборудования, стоимость такой замены намного меньше новой геотермальной системы, поскольку подземная петля и скважина являются ее самыми дорогими частями. Новые технические решения устраняют проблему задержки тепла в земле, таким образом, система может производить обмен температур в неограниченном количестве. В прошлом были случаи неправильно рассчитанных систем, которые действительно перегревали или переохлаждали землю до такой степени, что больше не было температурного различия, необходимого для работы системы.

6. Геотермальные НВК системы работают только для нагрева.

Факт: Они работают столь же эффективно и на охлаждение и могут быть спроектированы таким образом, чтобы не было необходимости в дополнительном резервном источнике тепла. Хотя некоторые клиенты решают, что экономически более выгодно иметь небольшую резервную систему для самых холодных времен. Это означает, что их подземная петля будет меньше и, соответственно, дешевле.

7. Геотермальные НВК системы не могут одновременно нагреть воду для бытовых целей, нагреть воду в бассейне и обогреть дом.

Факт: Системы могут быть спроектированы таким образом, чтобы выполнять много функций одновременно.

8. Геотермальные НВК системы загрязняют землю хладагентами.

Факт: Большинство систем использует в петлях только воду.

9. Геотермальные НВК системы используют много воды.

Факт: Геотермальные системы фактически не потребляют воду. Если для обмена температуры используется подземные воды, то вся вода возвращается в тот же водоносный слой. В прошлом действительно использовались некоторые системы, которые тратили впустую воду после того, как она проходила через теплообменник, но такие системы сегодня почти не используются. Если посмотреть на вопрос с коммерческой точки зрения, то геотермальные НВК системы фактически экономят миллионы литров воды, которые бы испарялись в традиционных системах.

10. Геотермальная НВК технология финансово не выполнима без государственных и региональных налоговых льгот.

Факт: Государственные и региональные льготы, как правило, составляют от 30 до 60 процентов совокупной стоимости геотермальной системы, что может зачастую снизить ее начальную цену практически до уровня цен на обычное оборудование. Стандартные воздушные системы НВК стоят приблизительно 3,000 долларов за тонну тепла или холода (дома обычно используют от одной до пяти тонн). Цена геотермальных НВК систем составляет приблизительно от 5,000 долларов за тонну до 8,000-9,000. Однако новые методы установки значительно уменьшают затраты, вплоть до цен на обычные системы.

Уменьшить стоимость также можно за счет скидок на оборудование для общественного или коммерческого использования, или даже при крупных заказах бытового характера (особенно от крупных брендов, таких как Bosch, Carrier и Trane). Разомкнутые контуры, при использовании насоса и скважины повторной закачки, являются более дешевыми в установке, чем замкнутые системы.

По материалам: energyblog.nationalgeographic.com

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.