SisäänkäyntiMaan lämpötila syvyydessä 2. Kymmenen myyttiä maalämpö- ja jäähdytysjärjestelmistä
Kuvittele koti, jossa on aina mukava lämpötila ilman lämmitys- tai jäähdytysjärjestelmää. Tämä järjestelmä toimii tehokkaasti, mutta ei vaadi monimutkaista huoltoa tai erityisosaamista omistajilta.
Raitista ilmaa, kuulet lintujen sirkutuksen ja tuulen laiskasti leikkivän puiden lehtien kanssa. Talo saa energiaa maasta, kuten lehdet, jotka saavat energiaa juurista. Hieno kuva, eikö?
Maalämpö- ja jäähdytysjärjestelmät tekevät tästä totta. Geoterminen LVI-järjestelmä (lämmitys, ilmanvaihto ja ilmastointi) hyödyntää maan lämpötilaa lämmittäessään talvella ja viilentämään kesällä.
Miten maalämpö ja jäähdytys toimii
Ympäristön lämpötila vaihtelee vuodenaikojen mukaan, mutta maanalainen lämpötila ei muutu yhtä paljon maan eristysominaisuuksien vuoksi. 1,5-2 metrin syvyydessä lämpötila pysyy suhteellisen vakiona ympäri vuoden. Geoterminen järjestelmä koostuu tyypillisesti sisäisestä prosessointilaitteistosta, maanalaisesta putkijärjestelmästä, jota kutsutaan maanalaiseksi silmukaksi, ja/tai vesikiertopumpusta. Järjestelmä käyttää maan tasaista lämpötilaa tuottamaan "puhdasta ja ilmaista" energiaa.
(Älä sekoita geotermisen NHC-järjestelmän käsitettä "geotermiseen energiaan" - prosessiin, jossa sähköä tuotetaan suoraan maan lämmöstä. Jälkimmäisessä tapauksessa käytetään erityyppisiä laitteita ja muita prosesseja, tarkoitus josta yleensä lämmitetään vesi kiehumispisteeseen.)
Putket, jotka muodostavat maanalaisen silmukan, on yleensä valmistettu polyeteenistä ja ne voidaan sijoittaa vaakasuoraan tai pystysuoraan maan alle maastosta riippuen. Jos akvifer on käytettävissä, insinöörit voivat suunnitella "avoin silmukan" järjestelmän poraamalla kaivon pohjaveden pohjaan. Vesi pumpataan ulos, kulkee lämmönvaihtimen läpi ja ruiskutetaan sitten samaan pohjavesikerrokseen "uudelleenruiskutuksella".
Talvella vesi, joka kulkee maanalaisen silmukan läpi, imee maan lämmön. Sisälaitteet nostavat lämpötilaa entisestään ja jakavat sen koko rakennukseen. Se on kuin ilmastointilaite, joka toimii taaksepäin. Kesäisin geoterminen NWC-järjestelmä ottaa kuumaa vettä rakennuksesta ja kuljettaa sen maanalaisen silmukan/pumpun kautta takaisinsyöttökaivoon, josta vesi tulee viileämpään maahan/akviferiin.
Toisin kuin perinteiset lämmitys- ja jäähdytysjärjestelmät, maalämpö LVI-järjestelmät eivät käytä fossiilisia polttoaineita lämmön tuottamiseen. Ne vain ottavat lämpöä maasta. Yleensä sähköä käytetään vain puhaltimen, kompressorin ja pumpun pyörittämiseen.
Maalämpöjäähdytys- ja lämmitysjärjestelmässä on kolme pääkomponenttia: lämpöpumppu, lämmönvaihtoneste (avoin tai suljettu järjestelmä) ja ilmansyöttöjärjestelmä (putkijärjestelmä).
Maalämpöpumpuille, kuten myös kaikille muille lämpöpumpputyypeille, mitattiin niiden hyödyllisen vaikutuksen suhde tähän toimintaan käytettyyn energiaan (TEHOKKUUDE). Useimpien maalämpöpumppujärjestelmien hyötysuhde on 3,0 - 5,0. Tämä tarkoittaa, että järjestelmä muuntaa yhden energiayksikön 3-5 yksiköksi lämpöä.
Geotermiset järjestelmät eivät vaadi monimutkaista huoltoa. Oikein asennettuna, mikä on erittäin tärkeää, maanalainen silmukka voi palvella kunnolla useiden sukupolvien ajan. Puhallin, kompressori ja pumppu on sijoitettu sisätiloihin ja suojattu muuttuvilta sääolosuhteilta, joten ne voivat kestää useita vuosia, usein vuosikymmeniä. Säännölliset määräaikaistarkastukset, oikea-aikainen suodattimen vaihto ja vuotuinen patterin puhdistus ovat ainoat vaadittavat huoltotoimenpiteet.
Kokemusta geotermisten NVC-järjestelmien käytöstä
Geotermisiä NVC-järjestelmiä on käytetty yli 60 vuoden ajan kaikkialla maailmassa. Ne työskentelevät luonnon kanssa, eivät sitä vastaan, eivätkä päästä kasvihuonekaasuja (kuten aiemmin todettiin, ne käyttävät vähemmän sähköä, koska ne käyttävät maapallon vakiolämpötilaa).
Geotermisistä NVC-järjestelmistä tulee yhä enemmän vihreiden kotien ominaisuuksia osana kasvavaa vihreän rakentamisen liikettä. Vihreiden projektien osuus kaikista Yhdysvalloissa viime vuonna rakennetuista kodeista oli 20 prosenttia. Wall Street Journalin artikkelissa sanotaan, että vuoteen 2016 mennessä vihreiden rakennusten budjetti nousee 36 miljardista dollarista vuodessa 114 miljardiin dollariin. Tämä on 30-40 prosenttia koko kiinteistömarkkinoista.
Mutta suuri osa maalämpöä ja -jäähdytystä koskevasta tiedosta perustuu vanhentuneisiin tietoihin tai perusteettomiin myytteihin.
Geotermisiä NWC-järjestelmiä koskevien myyttien tuhoaminen
1. Geotermiset NVC-järjestelmät eivät ole uusiutuvaa teknologiaa, koska ne käyttävät sähköä.
Tosiasia: Geotermiset LVI-järjestelmät käyttävät vain yhden yksikön sähköä jopa viiden jäähdytys- tai lämmitysyksikön tuottamiseen.
2. Aurinkoenergia ja tuulienergia ovat edullisempia uusiutuvia teknologioita verrattuna geotermiseen NVC-järjestelmiin.
Fakta: Geotermiset NVC-järjestelmät yhdellä dollarilla prosessoivat neljä kertaa enemmän kilowattia/tunti kuin aurinko- tai tuulienergia tuottaa samalla dollarilla. Näillä tekniikoilla voi tietysti olla tärkeä rooli ympäristön kannalta, mutta geoterminen NHC-järjestelmä on usein tehokkain ja kustannustehokkain tapa vähentää ympäristövaikutuksia.
3. Geoterminen NVC-järjestelmä vaatii paljon tilaa maanalaisen silmukan polyeteeniputkien sijoittamiseksi.
Fakta: Maastosta riippuen maanalainen silmukka voi sijaita pystysuorassa, mikä tarkoittaa, että tarvitaan pieni pinta-ala. Jos akviferia on käytettävissä, pinta-alaa tarvitaan vain muutama neliömetri. Huomaa, että vesi palaa samaan pohjavesikerrokseen, josta se on otettu, kun se on kulkenut lämmönvaihtimen läpi. Siten vesi ei valu eikä saastuta pohjavesikerrosta.
4. HVK:n maalämpöpumput ovat meluisia.
Fakta: Järjestelmät ovat erittäin hiljaisia, eikä ulkona ole laitteita, jotta naapureita ei häiritä.
5. Geotermiset järjestelmät kuluvat lopulta.
Fakta: Maanalaiset silmukat voivat kestää sukupolvien ajan. Lämmönvaihtolaitteet kestävät tyypillisesti vuosikymmeniä, koska ne on suojattu sisätiloissa. Kun on aika vaihtaa laitteet, tällaisen vaihdon kustannukset ovat paljon pienemmät kuin uuden geotermisen järjestelmän, koska maanalainen silmukka ja kaivo ovat sen kalleimmat osat. Uudet tekniset ratkaisut poistavat lämmönpidätysongelman maassa, joten järjestelmä voi vaihtaa lämpötiloja rajattomasti. Aiemmin on esiintynyt väärin laskettuja järjestelmiä, jotka todella ylikuumenivat tai alijäähdyttivät maata siihen pisteeseen, jossa järjestelmän toiminnan edellyttämää lämpötilaeroa ei enää ollut.
6. Maalämpöiset LVI-järjestelmät toimivat vain lämmitykseen.
Fakta: Ne toimivat yhtä tehokkaasti jäähdytyksessä, ja ne voidaan suunnitella niin, että ylimääräistä varalämmönlähdettä ei tarvita. Vaikka jotkut asiakkaat katsovat, että on kustannustehokkaampaa käyttää pieni varajärjestelmä kylmimpiä aikoja varten. Tämä tarkoittaa, että heidän maanalainen silmukka on pienempi ja siten halvempi.
7. Geotermiset LVI-järjestelmät eivät voi samanaikaisesti lämmittää käyttövettä, lämmittää altaan vettä ja lämmittää taloa.
Fakta: Järjestelmät voidaan suunnitella suorittamaan useita toimintoja samanaikaisesti.
8. Geotermiset NHC-järjestelmät saastuttavat maata kylmäaineilla.
Fakta: Useimmat järjestelmät käyttävät saranoissa vain vettä.
9. Geotermiset NWC-järjestelmät käyttävät paljon vettä.
Tosiasia: Geotermiset järjestelmät eivät itse asiassa kuluta vettä. Jos pohjavettä käytetään lämpötilan vaihtoon, kaikki vesi palaa samaan pohjaveteen. Aiemmin todellakin käytettiin joitakin järjestelmiä, jotka hukkasivat vettä sen jälkeen, kun se oli kulkenut lämmönvaihtimen läpi, mutta nykyään tällaisia järjestelmiä ei käytetä juurikaan. Kun asiaa tarkastellaan kaupallisesta näkökulmasta, geotermiset HC-järjestelmät säästävät miljoonia litroja vettä, joka olisi haihtunut perinteisissä järjestelmissä.
10. Geoterminen NVC-teknologia ei ole taloudellisesti kannattavaa ilman valtion ja alueellisia verokannustimia.
Fakta: Valtion ja alueelliset kannustimet ovat tyypillisesti 30–60 prosenttia geotermisen järjestelmän kokonaiskustannuksista, mikä voi usein pudottaa alkuperäisen hinnan lähelle perinteisten laitteiden hintaa. Tavalliset LVI-ilmajärjestelmät maksavat noin 3 000 dollaria tonnilta lämpöä tai kylmää (kodeissa käytetään yleensä yhdestä viiteen tonnia). Geotermisten NVC-järjestelmien hinta vaihtelee noin 5 000 dollarista tonnilta 8 000-9 000 dollariin. Uudet asennustavat alentavat kuitenkin merkittävästi kustannuksia perinteisten järjestelmien hintoihin asti.
Kustannussäästöjä voidaan saavuttaa myös julkiseen tai kaupalliseen käyttöön tarkoitettujen laitteiden alennuksilla tai jopa suurilla kotitilauksilla (etenkin suurilta tuotemerkeiltä, kuten Bosch, Carrier ja Trane). Avoimet silmukat, joissa käytetään pumppua ja ruiskutuskaivoa, ovat halvempia asentaa kuin suljetut järjestelmät.
Lähde: energyblog.nationalgeographic.com
Esipuheen sijaan.
Älykkäät ja hyväntahtoiset ihmiset huomauttivat minulle, ettei tätä tapausta tulisi arvioida vain ei-stationaarisessa ympäristössä maan valtavan lämpöhitauden vuoksi ja ottaa huomioon vuotuiset lämpötilan muutokset. Valmis esimerkki on ratkaistu stationääriselle lämpökentälle, joten sillä on ilmeisen virheellisiä tuloksia, joten sitä tulisi pitää vain jonkinlaisena idealisoituna mallina, jossa on valtava määrä yksinkertaistuksia, jotka osoittavat lämpötilan jakautumisen stationaaritilassa. Joten kuten sanotaan, kaikki sattumat ovat puhdasta sattumaa...
***************************************************
Kuten tavallista, en anna paljon yksityiskohtia materiaalien hyväksytyistä lämmönjohtavuudesta ja paksuudesta, rajoitan kuvaamaan vain muutamia, oletamme, että muut elementit ovat mahdollisimman lähellä todellisia rakenteita - termofysikaaliset ominaisuudet on määritetty oikein ja materiaalien paksuudet riittävät todellisiin rakennuskäytäntöihin. Artikkelin tarkoituksena on saada kehyskäsitys lämpötilan jakautumisesta Rakennus-maan rajalla eri olosuhteissa.
Vähän siitä mitä pitää sanoa. Tässä esimerkissä lasketut kaaviot sisältävät 3 lämpötilarajaa, joista 1. on lämmitetyn rakennuksen tilojen sisäilma +20 o C, 2. ulkoilma -10 o C (-28 o C) ja 3. maaperän lämpötila tietyllä syvyydellä, jossa se vaihtelee tietyn vakioarvon ympärillä. Tässä esimerkissä tämän syvyyden arvo on 8 m ja lämpötila +10 ° C. Tässä joku voi kiistellä kanssani kolmannen rajan hyväksytyistä parametreista, mutta kiista tarkoista arvoista on ei ole tämän artikkelin tehtävä, samoin kuin saadut tulokset eivät vaadi erityistä tarkkuutta ja mahdollisuutta sitoa tiettyyn suunnittelutapaukseen. Toistan, että tehtävänä on saada peruskäsitys lämpötilan jakautumisesta ja testata joitain vakiintuneita ideoita tässä asiassa.
Nyt suoraan asiaan. Testattavat opinnäytetyöt siis.
1. Lämmitetyn rakennuksen alla olevan maan lämpötila on positiivinen.
2. Maaperän jäätymissyvyys (tämä on enemmän kysymys kuin väite). Otetaanko maan lumipeite huomioon raportoitaessa jäätymistietoja geologisissa raporteissa, koska pääsääntöisesti talon ympäristö puhdistetaan lumesta, polut, jalkakäytävät, sokeat alueet, pysäköinti jne.?
Maaperän jäätyminen on ajassa tapahtuva prosessi, joten laskennassa otamme ulkolämpötilan, joka on yhtä suuri kuin kylmimmän kuukauden keskilämpötila -10 o C. Otamme maaperän pienennetyllä lambda \u003d 1 koko syvyydeltä.
Kuva 1. Laskentakaavio.
Kuva 2. Lämpötilan eristys. Kaavio ilman lumipeitettä.
Yleensä maan lämpötila rakennuksen alla on positiivinen. Maksimit ovat lähempänä rakennuksen keskustaa, minimit ulkoseiniä. Nollalämpötilojen isolina vaakasuunnassa koskee vain lämmitetyn huoneen projektiota vaakatasossa.
Maaperän jäätyminen kaukana rakennuksesta (eli negatiivisten lämpötilojen saavuttaminen) tapahtuu ~2,4 metrin syvyydessä, mikä on enemmän kuin normaalisti valitun alueen (1,4-1,6 m) normiarvo.
Lisätään nyt 400mm keskitiheää lunta, jonka lambda on 0,3.
Kuva 3. Lämpötilan eristys. Kaaviossa lumipeite 400mm.
Positiivisten lämpötilojen isolinjat syrjäyttävät negatiiviset lämpötilat ulos, vain positiiviset lämpötilat rakennuksen alle.
Jäätä lumipeitteen alla ~1,2 metriä (-0,4 m lunta = 0,8 m maan jäätä). Lumipeite vähentää merkittävästi jäätymissyvyyttä (melkein 3 kertaa).
Ilmeisesti lumipeite, sen korkeus ja tiivistymisaste eivät ole vakioarvo, joten keskimääräinen jäätymissyvyys on kahden kaavion tulosten alueella (2,4 + 0,8) * 0,5 = 1,6 metriä, mikä vastaa vakioarvoon.
Katsotaan nyt, mitä tapahtuu, jos kovat pakkaset iskevät (-28 o C) ja pysyvät riittävän pitkään lämpökentän vakiintumiseen, kun rakennuksen ympärillä ei ole lumipeitettä.
Kuva 4. Kaava -28 noin Ilman lumipeitettä.
Negatiiviset lämpötilat ryömivät rakennuksen alle, plussat painavat lämmitetyn huoneen lattiaa. Perustusten alueella maaperä jäätyy läpi. Etäisyydellä rakennuksesta maaperä jäätyy ~4,7 metriä.
Katso aiemmat blogimerkinnät.
Maassamme, jossa on runsaasti hiilivetyjä, geoterminen energia on eräänlainen eksoottinen luonnonvara, joka nykyisessä tilanteessa tuskin kilpaile öljyn ja kaasun kanssa. Tätä vaihtoehtoista energiamuotoa voidaan kuitenkin käyttää lähes kaikkialla ja varsin tehokkaasti.
Geoterminen energia on maan sisäpuolen lämpöä. Sitä tuotetaan syvyyksissä ja se tulee maan pinnalle eri muodoissa ja eri intensiteetillä.
Maaperän ylempien kerrosten lämpötila riippuu pääasiassa ulkoisista (eksogeenisista) tekijöistä - auringonvalosta ja ilman lämpötilasta. Kesällä ja päivällä maaperä lämpenee tiettyyn syvyyteen, ja talvella ja yöllä se jäähtyy ilman lämpötilan muutoksen seurauksena ja jonkin verran viiveellä, kasvaen syvyyden myötä. Ilman lämpötilan päivittäisten vaihteluiden vaikutus päättyy syvyydessä muutamista useisiin kymmeniin senttimetreihin. Kausivaihtelut vangitsevat syvempiä maakerroksia - jopa kymmeniä metrejä.
Tietyllä syvyydellä - kymmenistä satoihin metriin - maaperän lämpötila pidetään vakiona, joka on sama kuin maan pinnan lähellä oleva keskimääräinen vuotuinen ilman lämpötila. Tämä on helppo varmistaa menemällä melko syvään luolaan.
Kun vuoden keskilämpötila tietyllä alueella on alle nollan, tämä ilmenee ikiroutana (tarkemmin sanottuna ikiroutana). Itä-Siperiassa ympärivuotisten jäämaiden paksuus eli paksuus on paikoin 200–300 metriä.
Tietystä syvyydestä (kartan jokaiselle pisteelle omansa) auringon ja ilmakehän vaikutus heikkenee niin paljon, että endogeeniset (sisäiset) tekijät tulevat ensin ja maan sisäpuoli lämpenee sisältäpäin, jolloin lämpötila alkaa nousta. nousta syvyyden mukana.
Maan syvimpien kerrosten lämpeneminen liittyy pääasiassa siellä olevien radioaktiivisten alkuaineiden hajoamiseen, vaikka muita lämmönlähteitä kutsutaan myös esimerkiksi fysikaalis-kemiallisiin, tektonisiin prosesseihin maankuoren ja vaipan syvissä kerroksissa. Mutta oli syy mikä tahansa, kivien ja niihin liittyvien nestemäisten ja kaasumaisten aineiden lämpötila nousee syvyyden myötä. Kaivostyöläiset kohtaavat tämän ilmiön - syvissa kaivoksissa on aina kuuma. Kilometrin syvyydessä kolmenkymmenen asteen lämpö on normaalia, ja syvemmällä lämpötila on vielä korkeampi.
Maan sisäpuolen lämpövirtaus, joka saavuttaa maan pinnan, on pieni - sen teho on keskimäärin 0,03–0,05 W / m 2 eli noin 350 W h / m 2 vuodessa. Auringosta tulevan lämpövirran ja sen lämmittämän ilman taustaa vasten tämä on huomaamaton arvo: Aurinko antaa jokaiselle maanpinnan neliömetrille vuosittain noin 4000 kWh eli 10 000 kertaa enemmän (tietenkin tämä on keskimäärin valtavalla hajallaan napa- ja päiväntasaajan leveysasteilla ja riippuen muista ilmasto- ja säätekijöistä).
Syvyydestä pintaan kulkevan lämpövirran merkityksettömyys suurimmassa osassa maapalloa liittyy kivien alhaiseen lämmönjohtavuuteen ja geologisen rakenteen erityispiirteisiin. Mutta on poikkeuksia - paikkoja, joissa lämpövirta on korkea. Nämä ovat ennen kaikkea tektonisten vaurioiden, lisääntyneen seismisen aktiivisuuden ja vulkanismin vyöhykkeitä, joista maan sisäpuolen energia löytää ulospääsyn. Tällaisille vyöhykkeille on ominaista litosfäärin termiset poikkeavuudet, joissa Maan pintaan saapuva lämpövirta voi olla monta kertaa ja jopa suuruusluokkaa voimakkaampi kuin "tavallinen". Tulivuorenpurkaukset ja kuumat vesilähteet tuovat pintaan näillä alueilla valtavan määrän lämpöä.
Juuri nämä alueet ovat suotuisimpia geotermisen energian kehittämiselle. Venäjän alueella nämä ovat ennen kaikkea Kamtšatka, Kuriilisaaret ja Kaukasus.
Samanaikaisesti geotermisen energian kehittäminen on mahdollista lähes kaikkialla, koska lämpötilan nousu syvyyden myötä on arjen ilmiö ja tehtävänä on "poistaa" lämpöä suolistosta, aivan kuten mineraaliraaka-aineita saadaan sieltä.
Keskimäärin lämpötila kohoaa syvyyden myötä 2,5–3°C jokaista 100 metriä kohden. Kahden eri syvyydessä sijaitsevan pisteen lämpötilaeron suhdetta niiden väliseen syvyyseroon kutsutaan geotermiseksi gradienttiksi.
Käänteisluku on geoterminen askel tai syvyysväli, jossa lämpötila nousee 1 °C.
Mitä suurempi gradientti ja vastaavasti matalampi askel, sitä lähempänä maan syvyyden lämpö lähestyy pintaa ja sitä lupaavampi tämä alue on geotermisen energian kehitykselle.
Eri alueilla, riippuen geologisesta rakenteesta ja muista alueellisista ja paikallisista olosuhteista, lämpötilan nousunopeus syvyyden myötä voi vaihdella dramaattisesti. Maan mittakaavassa geotermisten gradienttien ja askelten arvojen vaihtelut saavuttavat 25-kertaisen. Esimerkiksi Oregonin osavaltiossa (USA) gradientti on 150°C kilometriä kohden ja Etelä-Afrikassa 6°C kilometriä kohden.
Kysymys kuuluu, mikä on lämpötila suurissa syvyyksissä - 5, 10 km tai enemmän? Jos trendi jatkuu, lämpötilan tulisi 10 km:n syvyydessä olla keskimäärin 250–300 °C. Tämän vahvistavat enemmän tai vähemmän suorat havainnot ultrasyvistä kaivoista, vaikka kuva onkin paljon monimutkaisempi kuin lineaarinen lämpötilan nousu.
Esimerkiksi Baltic Crystalline Shieldiin poratussa Kuolan supersyvässä kaivossa lämpötila muuttuu 10°C/1 km nopeudella 3 kilometrin syvyyteen, jolloin geoterminen gradientti kasvaa 2–2,5 kertaa. 7 km:n syvyydessä lämpötila on jo tallennettu 120 °C, 10 km - 180 °C ja 12 km - 220 °C.
Toinen esimerkki on Pohjois-Kaspianmerellä rakennettu kaivo, jossa 500 metrin syvyydessä mitattiin 42 °C:n lämpötila, 1,5 km - 70 °C, 2 km - 80 °C, 3 km - 108 °C.
Oletetaan, että geoterminen gradientti laskee alkaen 20–30 km:n syvyydestä: 100 km:n syvyydessä arvioidut lämpötilat ovat noin 1300–1500 °C, syvyydessä 400–1600 °C, maan pinnalla. ydin (yli 6000 km syvyys) - 4000-5000°C.
10–12 km:n syvyydessä lämpötila mitataan porakaivoista; missä niitä ei ole, sen määräävät epäsuorat merkit samalla tavalla kuin suuremmissa syvyyksissä. Tällaisia epäsuoria merkkejä voivat olla seismisten aaltojen kulun luonne tai purkautuvan laavan lämpötila.
Geotermisen energian kannalta tiedot lämpötiloista yli 10 km:n syvyyksissä eivät kuitenkaan ole vielä käytännön kiinnostavia.
Useiden kilometrien syvyyksissä on paljon lämpöä, mutta miten sitä nostetaan? Joskus luonto itse ratkaisee tämän ongelman meille luonnollisen jäähdytysnesteen avulla - lämmitetyt lämpövedet, jotka tulevat pintaan tai sijaitsevat syvyydessä, joka on meidän ulottuvillamme. Joissakin tapauksissa syvyyksissä oleva vesi kuumennetaan höyryn tilaan.
Termillä "lämpövedet" ei ole tiukkaa määritelmää. Yleensä ne tarkoittavat kuumaa pohjavettä nestemäisessä tilassa tai höyryn muodossa, mukaan lukien ne, jotka tulevat maan pinnalle, joiden lämpötila on yli 20 ° C, toisin sanoen yleensä korkeampi kuin ilman lämpötila.
Pohjaveden, höyryn, höyry-vesi-seosten lämpö on hydrotermistä energiaa. Sen vuoksi sen käyttöön perustuvaa energiaa kutsutaan hydrotermiseksi.
Tilanne on monimutkaisempi lämmöntuotannossa suoraan kuivista kivistä - petroterminen energia, varsinkin kun riittävän korkeat lämpötilat alkavat yleensä useiden kilometrien syvyyksistä.
Venäjän alueella petrotermisen energian potentiaali on sata kertaa suurempi kuin hydrotermisen energian - vastaavasti 3500 ja 35 biljoonaa tonnia standardipolttoainetta. Tämä on aivan luonnollista - maan syvyyksien lämpöä on kaikkialla, ja lämpövesiä löytyy paikallisesti. Ilmeisten teknisten vaikeuksien vuoksi suurin osa lämpövesistä käytetään kuitenkin tällä hetkellä lämmön ja sähkön tuottamiseen.
Veden lämpötilat 20-30 - 100°C sopivat lämmitykseen, lämpötilat 150°C ja yli - sekä sähköntuotantoon geotermisissä voimalaitoksissa.
Yleisesti ottaen geotermiset resurssit Venäjän alueella ovat vertailupolttoainetonneina tai muina energian mittayksiköinä mitattuna noin 10 kertaa suuremmat kuin fossiilisten polttoaineiden varat.
Teoreettisesti vain geoterminen energia voisi täysin täyttää maan energiatarpeet. Käytännössä tällä hetkellä suurimmalla osalla sen aluetta tämä ei ole mahdollista teknisistä ja taloudellisista syistä.
Maailmassa geotermisen energian käyttö yhdistetään useimmiten Islantiin - maahan, joka sijaitsee Keski-Atlantin harjanteen pohjoispäässä, erittäin aktiivisella tektonisella ja vulkaanisella vyöhykkeellä. Luultavasti kaikki muistavat tulivuoren voimakkaan purkauksen Eyyafyatlayokudl ( Eyjafjallajokull) vuonna 2010.
Tämän geologisen ominaisuuden ansiosta Islannilla on valtavat geotermisen energiavarat, mukaan lukien kuumat lähteet, jotka tulevat maan pinnalle ja jopa pursuavat geysirien muodossa.
Islannissa yli 60 % kaikesta kulutetusta energiasta otetaan tällä hetkellä maapallolta. Mukaan lukien geotermiset lähteet, 90 % lämmityksestä ja 30 % sähkön tuotannosta tarjotaan. Lisätään, että muu sähkö maassa tuotetaan vesivoimalaitoksilla eli myös uusiutuvalla energialähteellä, minkä ansiosta Islanti näyttää eräänlaiselta globaalilta ympäristöstandardilta.
Geotermisen energian "kesyttäminen" 1900-luvulla auttoi Islantia merkittävästi taloudellisesti. Viime vuosisadan puoliväliin asti se oli erittäin köyhä maa, nyt se on maailman ensimmäisellä sijalla asennetulla kapasiteetilla ja geotermisen energian tuotannolla henkeä kohti ja on kymmenen parhaan joukossa geotermisen sähkön absoluuttisen asennetun kapasiteetin suhteen. kasvit. Sen väkiluku on kuitenkin vain 300 tuhatta ihmistä, mikä yksinkertaistaa ympäristöystävällisiin energialähteisiin siirtymistä: sen tarve on yleensä pieni.
Islannin lisäksi suuri osuus geotermisestä energiasta sähköntuotannon kokonaistaseesta saadaan Uudessa-Seelannissa ja Kaakkois-Aasian saarivaltioissa (Filippiinit ja Indonesia), Keski-Amerikan ja Itä-Afrikan maissa, joiden alue on myös tunnusomaista. korkean seismisen ja vulkaanisen aktiivisuuden vuoksi. Näiden maiden nykyisellä kehitystasolla ja tarpeilla geoterminen energia edistää merkittävästi sosioekonomista kehitystä.
Geotermisen energian käytöllä on pitkä historia. Yksi ensimmäisistä tunnetuista esimerkeistä on Italia, paikka Toscanan provinssissa, jota nykyään kutsutaan nimellä Larderello, jossa jo 1800-luvun alussa käytettiin energiana paikallisia kuumia lämpövesiä, jotka virtasivat luonnollisesti tai louhittiin matalista kaivoista. tarkoituksiin.
Maanalaisista lähteistä peräisin olevaa vettä, jossa oli runsaasti booria, käytettiin täällä boorihapon saamiseksi. Aluksi tämä happo saatiin haihduttamalla rautakattiloissa ja tavallista polttopuuta otettiin polttoaineeksi läheisistä metsistä, mutta vuonna 1827 Francesco Larderel loi järjestelmän, joka toimi itse vesien lämmöllä. Samaan aikaan luonnonvesihöyryn energiaa alettiin käyttää porauslaitteiden toimintaan ja 1900-luvun alussa paikallisten talojen ja kasvihuoneiden lämmitykseen. Samassa paikassa Larderellossa vuonna 1904 lämpövesihöyrystä tuli energianlähde sähkön tuottamiseen.
1800-luvun lopun ja 1900-luvun alun Italian esimerkkiä seurasivat eräät muut maat. Esimerkiksi vuonna 1892 lämpövesiä käytettiin ensimmäisen kerran paikalliseen lämmitykseen Yhdysvalloissa (Boise, Idaho), vuonna 1919 - Japanissa, vuonna 1928 - Islannissa.
Yhdysvalloissa ensimmäinen hydroterminen voimalaitos ilmestyi Kaliforniaan 1930-luvun alussa, Uudessa-Seelannissa - vuonna 1958, Meksikossa - vuonna 1959, Venäjällä (maailman ensimmäinen binaarinen GeoPP) - vuonna 1965.
Vanha periaate uudesta lähteestä
Sähköntuotanto vaatii korkeampaa veden lämpötilaa kuin lämmitys, yli 150°C. Geotermisen voimalaitoksen (GeoES) toimintaperiaate on samanlainen kuin perinteisen lämpövoimalaitoksen (TPP) toimintaperiaate. Itse asiassa geoterminen voimalaitos on eräänlainen lämpövoimalaitos.
Lämpövoimalaitoksilla pääsääntöisesti hiili, kaasu tai polttoöljy toimivat ensisijaisena energialähteenä ja vesihöyry toimii työnesteenä. Polttoaine palaessaan lämmittää veden höyryksi, joka pyörittää höyryturbiinia ja tuottaa sähköä.
Erona GeoPP:n välillä on se, että ensisijainen energianlähde tässä on maan sisäpuolen lämpö ja käyttöneste höyryn muodossa tulee sähkögeneraattorin turbiinin lapoihin "valmiissa" muodossa suoraan tuotantokaivosta.
GeoPP:n toiminnassa on kolme päämallia: suora, käyttämällä kuivaa (geotermistä) höyryä; epäsuora, hydrotermiseen veteen perustuva ja sekoitettu tai binäärinen.
Jonkin toisen järjestelmän käyttö riippuu aggregaatiotilasta ja energian kantajan lämpötilasta.
Yksinkertaisin ja siksi ensimmäinen hallituista kaavioista on suora, jossa kaivosta tuleva höyry johdetaan suoraan turbiinin läpi. Myös maailman ensimmäinen GeoPP Larderellossa vuonna 1904 toimi kuivalla höyryllä.
GeoPP:t, joissa on epäsuora toimintamalli, ovat aikamme yleisimpiä. He käyttävät kuumaa maanalaista vettä, joka pumpataan korkealla paineella höyrystimeen, jossa osa siitä haihdutetaan ja syntyvä höyry pyörittää turbiinia. Joissakin tapauksissa tarvitaan lisälaitteita ja -piirejä geotermisen veden ja höyryn puhdistamiseen aggressiivisista yhdisteistä.
Poistohöyry tulee ruiskutuskaivoon tai sitä käytetään tilan lämmitykseen - tässä tapauksessa periaate on sama kuin CHP:n käytön aikana.
Binäärisissä GeoPP:issä kuuma lämpövesi on vuorovaikutuksessa toisen nesteen kanssa, joka toimii työnesteenä, jolla on alhaisempi kiehumispiste. Molemmat nesteet johdetaan lämmönvaihtimen läpi, jossa lämpövesi haihduttaa työnesteen, jonka höyryt pyörittävät turbiinia.
Tämä järjestelmä on suljettu, mikä ratkaisee ilmakehään joutuvien päästöjen ongelman. Lisäksi suhteellisen alhaisen kiehumispisteen omaavat käyttönesteet mahdollistavat ei kovin kuumien lämpövesien käytön ensisijaisena energialähteenä.
Kaikissa kolmessa järjestelmässä käytetään hydrotermistä lähdettä, mutta petrotermistä energiaa voidaan käyttää myös sähkön tuottamiseen.
Piirikaavio on myös tässä tapauksessa melko yksinkertainen. On tarpeen porata kaksi toisiinsa yhdistettyä kaivoa - ruiskutus ja tuotanto. Vesi pumpataan injektiokaivoon. Syvyydessä se lämpenee, jonka jälkeen voimakkaan kuumennuksen tuloksena muodostunut lämmitetty vesi tai höyry johdetaan pintaan tuotantokaivon kautta. Lisäksi kaikki riippuu siitä, kuinka petrotermistä energiaa käytetään - lämmitykseen tai sähkön tuotantoon. Suljettu sykli on mahdollista pumppaamalla poistohöyry ja vesi takaisin ruiskutuskaivoon tai muulla hävitysmenetelmällä.
Tällaisen järjestelmän haittapuoli on ilmeinen: riittävän korkean käyttönesteen lämpötilan saavuttamiseksi on tarpeen porata kaivoja suureen syvyyteen. Ja tämä on vakava kustannus ja riski merkittävästä lämpöhäviöstä, kun neste liikkuu ylöspäin. Siksi petrotermiset järjestelmät ovat edelleen harvinaisempia kuin hydrotermiset, vaikka petrotermisen energian potentiaali onkin suuruusluokkaa suurempi.
Tällä hetkellä johtaja niin kutsuttujen petrotermisten kiertovesijärjestelmien (PCS) luomisessa on Australia. Lisäksi tämä geotermisen energian suunta kehittyy aktiivisesti Yhdysvalloissa, Sveitsissä, Isossa-Britanniassa ja Japanissa.
Lahja Lord Kelviniltä
Fyysikko William Thompsonin (alias Lord Kelvin) vuonna 1852 keksimä lämpöpumppu antoi ihmiskunnalle todellisen mahdollisuuden käyttää maaperän ylempien kerrosten heikkolaatuista lämpöä. Lämpöpumppujärjestelmä tai lämmönkerroin, kuten Thompson sitä kutsui, perustuu fyysiseen prosessiin, jossa lämpö siirretään ympäristöstä kylmäaineeseen. Itse asiassa se käyttää samaa periaatetta kuin petrotermisissä järjestelmissä. Ero on lämmönlähteessä, jonka yhteydessä voi herää terminologinen kysymys: missä määrin lämpöpumppua voidaan pitää maalämpöjärjestelmänä? Tosiasia on, että ylemmissä kerroksissa, kymmenien tai satojen metrien syvyyksissä, kiviä ja niiden sisältämiä nesteitä lämmittää ei maan syvä lämpö, vaan aurinko. Näin ollen aurinko on tässä tapauksessa ensisijainen lämmönlähde, vaikka se otetaan, kuten geotermisissä järjestelmissä, maasta.
Lämpöpumpun toiminta perustuu maaperän lämpenemisen ja jäähtymisen viivästymiseen ilmakehään verrattuna, minkä seurauksena pinnan ja syvempien kerrosten välille muodostuu lämpötilagradientti, joka säilyttää lämpöä myös talvella, vastaavasti kuin miten se tapahtuu säiliöissä. Lämpöpumppujen päätarkoitus on tilan lämmitys. Itse asiassa se on "jääkaappi päinvastoin". Sekä lämpöpumppu että jääkaappi ovat vuorovaikutuksessa kolmen komponentin kanssa: sisäinen ympäristö (ensimmäisessä tapauksessa - lämmitetty huone, toisessa - jäähdytetty jääkaappikammio), ulkoinen ympäristö - energialähde ja kylmäaine (kylmäaine), joka on myös jäähdytysneste, joka tarjoaa lämmönsiirtoa tai kylmää.
Matalan kiehumispisteen omaava aine toimii kylmäaineena, jolloin se voi ottaa lämpöä lähteestä, jonka lämpötila on jopa suhteellisen alhainen.
Jääkaapissa nestemäinen kylmäaine tulee höyrystimeen kaasun (paineensäätimen) kautta, jossa neste haihtuu paineen jyrkän laskun vuoksi. Haihtuminen on endoterminen prosessi, joka vaatii lämmön imeytymistä ulkopuolelta. Tämän seurauksena höyrystimen sisäseinistä otetaan lämpöä, mikä tarjoaa jäähdytysvaikutuksen jääkaapin kammioon. Edelleen höyrystimestä kylmäaine imetään kompressoriin, jossa se palaa aggregoituneena nestemäiseen tilaan. Tämä on käänteinen prosessi, joka johtaa otetun lämmön vapautumiseen ulkoiseen ympäristöön. Yleensä se heitetään huoneeseen ja jääkaapin takaseinä on suhteellisen lämmin.
Lämpöpumppu toimii lähes samalla tavalla, sillä erolla, että lämpö otetaan ulkoilmasta ja se tulee sisäympäristöön höyrystimen - huonelämmitysjärjestelmän - kautta.
Oikeassa lämpöpumpussa vesi lämmitetään, kulkee maahan tai säiliöön asetetun ulkoisen piirin läpi ja menee sitten höyrystimeen.
Höyrystimessä lämpö siirtyy sisäiseen piiriin, joka on täytetty matalan kiehumispisteen omaavalla kylmäaineella, joka höyrystimen läpi kulkiessaan muuttuu nestemäisestä tilasta kaasumaiseen tilaan ottamalla lämpöä.
Lisäksi kaasumainen kylmäaine tulee kompressoriin, jossa se puristetaan korkeaan paineeseen ja lämpötilaan, ja tulee lauhduttimeen, jossa lämmönvaihto tapahtuu kuuman kaasun ja lämmitysjärjestelmän lämmönsiirtoaineen välillä.
Kompressori vaatii toimiakseen sähköenergiaa, mutta muunnossuhde (kulututetun ja tuotetun energian suhde) on nykyaikaisissa järjestelmissä riittävän korkea tehokkuuden varmistamiseksi.
Tällä hetkellä lämpöpumppuja käytetään laajalti tilojen lämmitykseen, pääasiassa taloudellisesti kehittyneissä maissa.
Eko-oikea energia
Geotermistä energiaa pidetään ympäristöystävällisenä, mikä on yleensä totta. Ensinnäkin se käyttää uusiutuvaa ja käytännössä ehtymätöntä luonnonvaraa. Geoterminen energia ei vaadi suuria alueita, toisin kuin suuret vesivoimalaitokset tai tuulivoimalat, eikä saastuta ilmakehää, toisin kuin hiilivetyenergia. GeoPP vie keskimäärin 400 m 2 1 GW tuotettua sähköä kohti. Esimerkiksi kivihiililämpövoimalaitoksella sama luku on 3600 m 2. GeoPP:n ympäristöhyötyihin kuuluu myös alhainen vedenkulutus - 20 litraa makeaa vettä 1 kW:a kohti, kun taas lämpövoimalat ja ydinvoimalaitokset tarvitsevat noin 1000 litraa. Huomaa, että nämä ovat "keskimääräisen" GeoPP:n ympäristöindikaattoreita.
Mutta negatiivisia sivuvaikutuksia on silti. Niistä useimmiten erotetaan melu, ilmakehän lämpösaaste ja veden ja maaperän kemiallinen saastuminen sekä kiinteän jätteen muodostuminen.
Pääasiallinen ympäristön kemiallisen saastumisen lähde on itse lämpövesi (korkean lämpötilan ja suolapitoisuuden omaava), joka sisältää usein suuria määriä myrkyllisiä yhdisteitä, ja siksi jätevesien ja vaarallisten aineiden hävittäminen on ongelmallista.
Geotermisen energian negatiiviset vaikutukset voidaan jäljittää useassa vaiheessa kaivojen porauksesta alkaen. Täällä syntyvät samat vaarat kuin mitä tahansa kaivoa porattaessa: maaperän ja kasvillisuuden tuhoutuminen, maaperän ja pohjaveden saastuminen.
GeoPP:n toimintavaiheessa ympäristön saastumisen ongelmat jatkuvat. Lämpönesteet - vesi ja höyry - sisältävät tyypillisesti hiilidioksidia (CO 2), rikkisulfidia (H 2 S), ammoniakkia (NH 3), metaania (CH 4), keittosuolaa (NaCl), booria (B), arseenia (As ), elohopea (Hg). Ympäristöön päästettyään niistä tulee saasteiden lähteitä. Lisäksi aggressiivinen kemiallinen ympäristö voi aiheuttaa korroosiovaurioita GeoTPP-rakenteille.
Samaan aikaan GeoPP:n epäpuhtauspäästöt ovat keskimäärin pienemmät kuin lämpövoimalaitoksissa. Esimerkiksi hiilidioksidipäästöt tuotettua sähköä kilowattituntia kohden ovat jopa 380 g GeoPP:illa, 1042 g hiililämpövoimalaitoksilla, 906 g polttoöljyllä ja 453 g kaasulämpövoimalaitoksilla.
Herää kysymys: mitä tehdä jätevedelle? Alhaisen suolapitoisuuden ansiosta se voidaan jäähdytyksen jälkeen päästää pintavesiin. Toinen tapa on pumpata se takaisin pohjavesikerrokseen injektiokaivon kautta, mikä on tällä hetkellä suosituin ja vallitseva käytäntö.
Lämpöveden otto pohjavesikerroksista (samoin kuin tavallisen veden pumppaus) voi aiheuttaa vajoamista ja maan liikkeitä, muita geologisten kerrosten muodonmuutoksia ja mikromaanjäristyksiä. Tällaisten ilmiöiden todennäköisyys on yleensä pieni, vaikka yksittäisiä tapauksia onkin kirjattu (esimerkiksi GeoPP:ssä Staufen im Breisgaussa Saksassa).
On syytä korostaa, että suurin osa GeoPP-projekteista sijaitsee suhteellisen harvaan asutuilla alueilla ja kolmannen maailman maissa, joissa ympäristövaatimukset ovat vähemmän tiukat kuin kehittyneissä maissa. Lisäksi tällä hetkellä GeoPP:iden määrä ja niiden kapasiteetit ovat suhteellisen pieniä. Geotermisen energian laajemman kehityksen myötä ympäristöriskit voivat kasvaa ja moninkertaistua.
Kuinka paljon on maapallon energia?
Geotermisten järjestelmien rakentamisen investointikustannukset vaihtelevat erittäin laajalla alueella - 200 - 5000 dollaria per 1 kW asennettua kapasiteettia, toisin sanoen halvimmat vaihtoehdot ovat verrattavissa lämpövoimalan rakentamiskustannuksiin. Ne riippuvat ennen kaikkea lämpövesien esiintymisolosuhteista, niiden koostumuksesta ja järjestelmän suunnittelusta. Kairaus suuriin syvyyksiin, suljetun järjestelmän luominen kahdella kaivolla, vedenkäsittelyn tarve voi moninkertaistaa kustannukset.
Esimerkiksi petrotermisen kiertojärjestelmän (PTS) luomiseen investoinnit ovat arviolta 1,6–4 tuhatta dollaria per 1 kW asennettua kapasiteettia, mikä ylittää ydinvoimalan rakentamisen kustannukset ja on verrattavissa tuulivoiman rakentamisen kustannuksiin. aurinkovoimalat.
GeoTPP:n ilmeinen taloudellinen etu on ilmainen energiansiirto. Vertailun vuoksi todettakoon, että toimivan lämpö- tai ydinvoimalaitoksen kustannusrakenteessa polttoaineen osuus on 50–80 % tai enemmänkin, riippuen senhetkisestä energian hinnasta. Tästä syystä toinen geotermisen järjestelmän etu: käyttökustannukset ovat vakaammat ja ennakoitavammat, koska ne eivät riipu energian hintojen ulkoisesta konjunktuurista. Yleisesti ottaen GeoTPP:n käyttökustannukset ovat arviolta 2–10 senttiä (60 kopekkaa – 3 ruplaa) 1 kWh tuotettua kapasiteettia kohden.
Toiseksi suurin (ja erittäin merkittävä) menoerä energian kantajan jälkeen on pääsääntöisesti aseman henkilökunnan palkka, joka voi vaihdella dramaattisesti maittain ja alueittain.
Keskimäärin 1 kWh geotermisen energian hinta on verrattavissa lämpövoimaloiden hintaan (Venäjän olosuhteissa noin 1 rupla / 1 kWh) ja kymmenen kertaa korkeampi kuin vesivoimaloiden sähköntuotannon kustannukset (5-10 kopekkaa). / 1 kWh).
Osa syynä korkeisiin kustannuksiin on se, että toisin kuin lämpö- ja hydraulivoimaloissa, GeoTPP:n kapasiteetti on suhteellisen pieni. Lisäksi on tarpeen verrata samalla alueella ja samanlaisissa olosuhteissa sijaitsevia järjestelmiä. Joten esimerkiksi Kamtšatkassa asiantuntijoiden mukaan 1 kWh geotermistä sähköä maksaa 2-3 kertaa halvempaa kuin paikallisissa lämpövoimalaitoksissa tuotettu sähkö.
Maalämpöjärjestelmän taloudellisen tehokkuuden mittarit riippuvat esimerkiksi siitä, onko jätevedet tarpeen hävittää ja millä tavoin se tehdään, onko resurssin yhteiskäyttö mahdollista. Siten lämpövedestä uutetut kemialliset alkuaineet ja yhdisteet voivat tarjota lisätuloja. Muista Larderellon esimerkki: kemiallinen tuotanto oli siellä ensisijaista ja geotermisen energian käyttö oli alun perin apuluonteista.
Geoterminen energia eteenpäin
Geoterminen energia kehittyy hieman eri tavalla kuin tuuli ja aurinko. Tällä hetkellä se riippuu suurelta osin itse resurssin luonteesta, joka vaihtelee jyrkästi alueittain, ja suurimmat pitoisuudet ovat sidoksissa kapeisiin geotermisten poikkeamien vyöhykkeisiin, jotka liittyvät yleensä tektonisiin vaurioihin ja vulkanismiin.
Lisäksi geoterminen energia on teknisesti vähemmän kapasiteettia verrattuna tuulivoimaan ja vielä enemmän aurinkoenergiaan: maalämpöasemien järjestelmät ovat melko yksinkertaisia.
Maailman sähköntuotannon kokonaisrakenteessa geotermisen komponentin osuus on alle 1 %, mutta joillakin alueilla ja maissa sen osuus on 25–30 %. Geologisiin olosuhteisiin kytkeytymisen vuoksi merkittävä osa geotermisen energiakapasiteetista on keskittynyt kolmannen maailman maihin, joissa on kolme alan suurimman kehityksen klusteria - Kaakkois-Aasian, Keski-Amerikan ja Itä-Afrikan saarille. Kaksi ensimmäistä aluetta ovat osa Tyynenmeren "Maan tulivyöhykettä", kolmas on sidottu Itä-Afrikan riftiin. Näillä vyöhykkeillä geotermisen energian kehittyminen jatkuu mitä suurimmalla todennäköisyydellä. Kauempaa on petrotermisen energian kehittäminen useiden kilometrien syvyydessä olevien maakerrosten lämpöä hyödyntäen. Tämä on lähes kaikkialla oleva luonnonvara, mutta sen louhinta vaatii korkeita kustannuksia, joten petroterminen energia kehittyy ensisijaisesti taloudellisesti ja teknisesti tehokkaimmissa maissa.
Yleisesti ottaen geotermisen resurssien yleisyyden ja hyväksyttävän ympäristöturvallisuuden tason vuoksi on syytä uskoa, että geotermisellä energialla on hyvät kehitysnäkymät. Varsinkin perinteisten energiankantajien pulariskin ja niiden hintojen nousun lisääntyessä.
Kamtšatkasta Kaukasiaan
Venäjällä geotermisen kehityksellä on melko pitkä historia ja olemme monessa asemassa maailman johtajia, vaikka geotermisen osuus valtavan maan kokonaisenergiataseesta on vielä mitätön.
Geotermisen energian kehittämisen edelläkävijät ja keskukset Venäjällä olivat kaksi aluetta - Kamtšatka ja Pohjois-Kaukasus, ja jos ensimmäisessä tapauksessa puhumme ensisijaisesti sähkövoimateollisuudesta, niin toisessa - lämpöenergian käytöstä. lämpövesi.
Pohjois-Kaukasiassa - Krasnodarin alueella, Tšetšeniassa, Dagestanissa - lämpövesien lämpöä käytettiin energiatarkoituksiin jo ennen suurta isänmaallista sotaa. 1980-1990-luvuilla geotermisen energian kehitys alueella ilmeisistä syistä pysähtyi eikä ole vielä toipunut pysähtyneisyydestä. Siitä huolimatta geoterminen vesihuolto Pohjois-Kaukasiassa tarjoaa lämpöä noin 500 tuhannelle ihmiselle, ja esimerkiksi Krasnodarin alueella sijaitseva Labinskin kaupunki, jonka väkiluku on 60 tuhatta, lämmitetään kokonaan geotermisillä vesillä.
Kamtšatkassa geotermisen energian historia liittyy ensisijaisesti GeoPP:n rakentamiseen. Ensimmäiset, edelleen toimivat Pauzhetskaya ja Paratunskaya asemat, rakennettiin vuosina 1965–1967, kun taas Paratunskaya GeoPP, jonka teho on 600 kW, tuli maailman ensimmäiseksi binäärisykliksi asemaksi. Se oli Neuvostoliiton tutkijoiden S. S. Kutateladzen ja A. M. Rosenfeldin kehittämä Venäjän tiedeakatemian Siperian sivuliikkeen lämpöfysiikan instituutti, joka sai vuonna 1965 tekijänoikeustodistuksen sähkön ottamisesta vedestä, jonka lämpötila on 70 ° C. Tästä tekniikasta tuli myöhemmin prototyyppi yli 400 binaariselle GeoPP:lle maailmassa.
Vuonna 1966 käyttöön otetun Pauzhetskaya GeoPP:n kapasiteetti oli aluksi 5 MW, minkä jälkeen se nostettiin 12 MW:iin. Tällä hetkellä asemalla on rakenteilla binäärilohko, joka lisää sen kapasiteettia vielä 2,5 MW.
Geotermisen energian kehitystä Neuvostoliitossa ja Venäjällä esti perinteisten energialähteiden - öljyn, kaasun, hiilen - saatavuus, mutta se ei koskaan pysähtynyt. Tällä hetkellä suurimmat geoterminen voimalaitokset ovat vuonna 1999 käyttöön otettu Verkhne-Mutnovskaya GeoPP, jonka kokonaiskapasiteetti on 12 MW, ja Mutnovskaya GeoPP, jonka teho on 50 MW (2002).
Mutnovskaya ja Verkhne-Mutnovskaya GeoPP ovat ainutlaatuisia esineitä ei vain Venäjälle, vaan myös maailmanlaajuisesti. Asemat sijaitsevat Mutnovsky-tulivuoren juurella 800 metrin korkeudessa merenpinnan yläpuolella ja toimivat äärimmäisissä ilmasto-olosuhteissa, joissa talvi on 9-10 kuukautta vuodessa. Mutnovsky GeoPP:iden laitteet, jotka ovat tällä hetkellä yksi maailman nykyaikaisimmista, luotiin kokonaan kotimaisissa energiatekniikan yrityksissä.
Tällä hetkellä Mutnovsky-asemien osuus Keski-Kamchatkan energiakeskuksen energiankulutuksen kokonaisrakenteesta on 40%. Kapasiteetin lisäystä on suunniteltu tulevina vuosina.
Erikseen on sanottava Venäjän petrotermisen kehityksestä. Meillä ei vielä ole suuria PDS-laitteita, mutta suuriin syvyyksiin (noin 10 km) poraamiseen on kehittyneitä tekniikoita, joilla ei myöskään ole analogeja maailmassa. Niiden jatkokehittäminen mahdollistaa petrotermisten järjestelmien luomisen kustannusten jyrkän pienentämisen. Näiden teknologioiden ja hankkeiden kehittäjät ovat N. A. Gnatus, M. D. Khutorskoy (Venäjän tiedeakatemian geologinen instituutti), A. S. Nekrasov (Venäjän tiedeakatemian talousennusteiden instituutti) ja Kalugan turbiinitehtaan asiantuntijat. Tällä hetkellä petroterminen kiertojärjestelmäprojekti Venäjällä on pilottivaiheessa.
Venäjällä geotermiseen energiaan on näkemyksiä, vaikka ne ovat suhteellisen kaukana: potentiaali on tällä hetkellä melko suuri ja perinteisen energian asema vahva. Samaan aikaan maan useilla syrjäisillä alueilla geotermisen energian käyttö on taloudellisesti kannattavaa ja kysyntää jo nyt. Nämä ovat alueita, joilla on korkea geoenergiapotentiaali (Tšukotka, Kamtšatka, Kurilit - Tyynenmeren "Maan tulivyöhykkeen" venäläinen osa, Etelä-Siperian ja Kaukasuksen vuoret) ja samalla syrjäisiä ja erillään keskitetystä energiasta. toimittaa.
On todennäköistä, että tulevina vuosikymmeninä maamme geoterminen energia kehittyy juuri tällaisilla alueilla.
Yksi parhaista, rationaalisista menetelmistä pääomakasvihuoneiden rakentamisessa on maanalainen termoskasvihuone.
Tämän maan lämpötilan pysyvyyden tosiasian käyttäminen syvyydessä kasvihuoneen rakentamisessa antaa valtavia säästöjä lämmityskustannuksissa kylmänä vuodenaikana, helpottaa hoitoa, tekee mikroilmastosta vakaamman.
Tällainen kasvihuone toimii vakavimmissa pakkasissa, voit tuottaa vihanneksia, kasvattaa kukkia ympäri vuoden.
Oikein varusteltu haudattu kasvihuone mahdollistaa muun muassa lämpöä rakastavien eteläisten viljelykasvien kasvattamisen. Ei käytännössä ole rajoituksia. Sitrushedelmät ja jopa ananas voivat tuntua hyvältä kasvihuoneessa.
Mutta jotta kaikki toimisi kunnolla käytännössä, on välttämätöntä noudattaa aika-testattuja tekniikoita, joilla maanalaiset kasvihuoneet rakennettiin. Loppujen lopuksi tämä ajatus ei ole uusi, jopa tsaarin aikana Venäjällä haudatut kasvihuoneet tuottivat ananassatoja, joita yritteliäät kauppiaat veivät Eurooppaan myyntiin.
Jostain syystä tällaisten kasvihuoneiden rakentaminen ei ole löytänyt laajaa leviämistä maassamme, yleensä se yksinkertaisesti unohdetaan, vaikka suunnittelu on ihanteellinen juuri meidän ilmastollemme.
Luultavasti tarve kaivaa syvä kuoppa ja kaataa perustus oli tässä roolissa. Haudatun kasvihuoneen rakentaminen on melko kallista, se on kaukana polyeteenillä päällystetystä kasvihuoneesta, mutta kasvihuoneen tuotto on paljon suurempi.
Maahan syventymisestä sisäinen kokonaisvalaistus ei häviä, tämä voi tuntua oudolta, mutta joissain tapauksissa valokylläisyys on jopa korkeampi kuin klassisissa kasvihuoneissa.
On mahdotonta puhua rakenteen lujuudesta ja luotettavuudesta, se on verrattoman vahvempi kuin tavallisesti, se on helpompi sietää hurrikaanisia tuulenpuuskia, se kestää hyvin rakeita, eikä lumitukoksia tule esteeksi.
1. Kuoppa
Kasvihuoneen luominen alkaa perustuskuopan kaivamisesta. Jotta maan lämpöä voidaan käyttää sisäisen tilavuuden lämmittämiseen, kasvihuonetta on syvennettävä riittävästi. Mitä syvemmälle maapallo lämpenee.
Lämpötila ei läheskään muutu vuoden aikana 2-2,5 metrin etäisyydellä pinnasta. 1 metrin syvyydessä maaperän lämpötila vaihtelee enemmän, mutta talvella sen arvo pysyy positiivisena, yleensä keskivyöhykkeellä lämpötila on vuodenajasta riippuen 4-10 C.
Haudattu kasvihuone rakennetaan yhden kauden aikana. Eli talvella se pystyy jo toimimaan ja tuottamaan tuloja. Rakentaminen ei ole halpaa, mutta käyttämällä kekseliäisyyttä, kompromissimateriaaleja voidaan säästää kirjaimellisesti suuruusluokkaa tekemällä kasvihuoneeseen eräänlainen säästövaihtoehto perustuskuopasta alkaen.
Älä esimerkiksi käytä rakennuslaitteita. Vaikka työssä eniten aikaa vievä osa - kuopan kaivaminen - on tietysti parempi antaa kaivinkoneelle. Tällaisen maa-alueen manuaalinen poistaminen on vaikeaa ja aikaa vievää.
Kaivon syvyyden tulee olla vähintään kaksi metriä. Tällaisella syvyydellä maa alkaa jakaa lämpöään ja toimia kuin eräänlainen termospullo. Jos syvyys on pienempi, niin periaatteessa idea toimii, mutta huomattavasti vähemmän tehokkaasti. Siksi on suositeltavaa, että säästät vaivaa ja rahaa tulevan kasvihuoneen syventämiseen.
Maanalaiset kasvihuoneet voivat olla minkä pituisia tahansa, mutta on parempi pitää leveys 5 metrin sisällä, jos leveys on suurempi, lämmityksen ja valon heijastuksen laatuominaisuudet heikkenevät.
Horisontin sivuilla maanalaiset kasvihuoneet on suunnattava, kuten tavalliset kasvihuoneet ja kasvihuoneet, idästä länteen, toisin sanoen niin, että yksi sivuista on etelään. Tässä asennossa kasvit saavat suurimman määrän aurinkoenergiaa.
2. Seinät ja katto
Kaivon kehää pitkin kaadetaan perustus tai asetetaan lohkot. Perustus toimii perustana rakenteen seinille ja rungolle. Seinät tehdään parhaiten materiaaleista, joilla on hyvät lämmöneristysominaisuudet, lämpölohkot ovat erinomainen vaihtoehto.
Katon runko on usein valmistettu puusta, antiseptisillä aineilla kyllästetyistä tankoista. Kattorakenne on yleensä suora harjakko. Rakenteen keskelle on kiinnitetty harjapalkki, jota varten lattialle asennetaan keskituet kasvihuoneen koko pituudelle.
Harjapalkki ja seinät on liitetty yhteen rivillä. Runko voidaan valmistaa ilman korkeita tukia. Ne korvataan pienillä, jotka sijoitetaan kasvihuoneen vastakkaisia puolia yhdistäviin poikittaispalkkeihin - tämä muotoilu tekee sisätilasta vapaamman.
Katon päällysteenä on parempi ottaa solupolykarbonaatti - suosittu moderni materiaali. Koskien välinen etäisyys rakentamisen aikana säädetään polykarbonaattilevyjen leveyden mukaan. Materiaalin kanssa on kätevä työskennellä. Pinnoite saadaan pienellä määrällä liitoksia, koska levyjä valmistetaan 12 m:n pituisina.
Ne on kiinnitetty runkoon itsekierteittävillä ruuveilla, on parempi valita ne aluslevyn muodossa olevalla korkilla. Levyn halkeilun välttämiseksi jokaisen itsekierteittävän ruuvin alle on porattava sopivan halkaisijan omaava reikä poralla. Ruuvitaltalla tai perinteisellä Phillips-kärjellä varustetulla poralla lasitustyö etenee erittäin nopeasti. Aukkojen välttämiseksi on hyvä laittaa kattopalkit yläreunaan pehmeästä kumista tai muusta sopivasta materiaalista valmistetulla tiivisteaineella etukäteen ja vasta sitten ruuvata levyt. Katon huippu harjaa pitkin on asetettava pehmeällä eristeellä ja puristettava jollain kulmalla: muovilla, peltillä tai muulla sopivalla materiaalilla.
Hyvän lämmöneristyksen vuoksi katto on joskus valmistettu kaksinkertaisella polykarbonaattikerroksella. Vaikka läpinäkyvyys vähenee noin 10%, tämä katetaan erinomaisella lämmöneristyskyvyllä. On huomattava, että lumi tällaisella katolla ei sula. Siksi kaltevuuden tulee olla riittävässä kulmassa, vähintään 30 astetta, jotta lunta ei kerry katolle. Lisäksi täristystä varten on asennettu sähköinen vibraattori, joka säästää katon, jos lunta vielä kertyy.
Kaksoislasit tehdään kahdella tavalla:
Kahden levyn väliin asetetaan erityinen profiili, levyt kiinnitetään runkoon ylhäältä;
Ensin alempi lasituskerros kiinnitetään runkoon sisäpuolelta, kattopalkkien alapuolelle. Katto peitetään toisella kerroksella, kuten tavallista, ylhäältä.
Työn päätyttyä on toivottavaa liimata kaikki liitokset teipillä. Valmis katto näyttää erittäin vaikuttavalta: ilman tarpeettomia liitoksia, sileä, ilman näkyviä osia.
3. Lämmitys ja lämmitys
Seinien eristys suoritetaan seuraavasti. Ensin sinun on päällystettävä huolellisesti kaikki seinän liitokset ja saumat liuoksella, tässä voit käyttää myös asennusvaahtoa. Seinien sisäpuoli on peitetty lämpöeristekalvolla.
Maan kylmissä osissa on hyvä käyttää foliopaksua kalvoa, joka peittää seinän kaksinkertaisella kerroksella.
Lämpötila syvällä kasvihuoneessa on nollan yläpuolella, mutta kylmempää kuin kasvien kasvun edellyttämä ilman lämpötila. Päällyskerros lämpenee auringonsäteiden ja kasvihuoneen ilman vaikutuksesta, mutta silti maaperä vie lämpöä pois, joten maanalaisissa kasvihuoneissa käytetään usein "lämpimien lattioiden" tekniikkaa: lämmityselementti - sähkökaapeli - on suojattu metalliritilällä tai kaadettu betonilla.
Toisessa tapauksessa sänkyjen maaperä kaadetaan betonin päälle tai viherkasveja kasvatetaan ruukuissa ja kukkaruukuissa.
Lattialämmityksen käyttö voi riittää koko kasvihuoneen lämmittämiseen, jos tehoa riittää. Mutta kasveille on tehokkaampaa ja mukavampaa käyttää yhdistettyä lämmitystä: lattialämmitys + ilmalämmitys. Hyvän kasvun saavuttamiseksi ne tarvitsevat 25-35 asteen ilman lämpötilan maan lämpötilassa noin 25 C.
PÄÄTELMÄ
Tietenkin haudatun kasvihuoneen rakentaminen maksaa enemmän ja vaatii enemmän vaivaa kuin samanlaisen tavanomaisen kasvihuoneen rakentaminen. Mutta kasvihuonetermokseen sijoitetut varat ovat ajan mittaan perusteltuja.
Ensinnäkin se säästää energiaa lämmityksessä. Riippumatta siitä, kuinka tavallista maassa sijaitsevaa kasvihuonetta lämmitetään talvella, se on aina kalliimpaa ja vaikeampaa kuin vastaava lämmitysmenetelmä maanalaisessa kasvihuoneessa. Toiseksi, säästää valaistuksessa. Seinien kalvolämpöeristys, joka heijastaa valoa, kaksinkertaistaa valaistuksen. Syväkasvihuoneen mikroilmasto talvella on suotuisampi kasveille, mikä varmasti vaikuttaa satoon. Taimet juurtuvat helposti, herkät kasvit tuntuvat hyvältä. Tällainen kasvihuone takaa vakaan, korkean sadon kaikille kasveille ympäri vuoden.
Kuvaus:
Toisin kuin suuren potentiaalin geotermisen lämmön (hydrotermisten resurssien) "suorassa" käytössä, maapallon pintakerrosten maaperän käyttö matalalaatuisen lämpöenergian lähteenä geotermisissä lämpöpumppujen lämmönsyöttöjärjestelmissä (GHPS) on mahdollista lähes kaikkialla. Tämä on tällä hetkellä yksi dynaamisesti kehittyvistä ei-perinteisten uusiutuvien energialähteiden käytön alueista maailmassa.
Lämmönjakelun maalämpöpumppujärjestelmät ja niiden käytön tehokkuus Venäjän ilmasto-olosuhteissa
G. P. Vasiliev, JSC "INSOLAR-INVEST" tieteellinen johtaja
Toisin kuin suuren potentiaalin geotermisen lämmön (hydrotermisten resurssien) "suorassa" käytössä, maapallon pintakerrosten maaperän käyttö matalalaatuisen lämpöenergian lähteenä geotermisissä lämpöpumppujen lämmönsyöttöjärjestelmissä (GHPS) on mahdollista lähes kaikkialla. Tämä on tällä hetkellä yksi dynaamisesti kehittyvistä ei-perinteisten uusiutuvien energialähteiden käytön alueista maailmassa.
Maan pintakerrosten maaperä on itse asiassa rajattoman tehon lämmönvaraaja. Maaperän lämpöjärjestelmä muodostuu kahden päätekijän - pinnalle tulevan auringonsäteilyn ja radiogeenisen lämmön virtauksen maan sisältä - vaikutuksesta. Auringon säteilyn voimakkuuden ja ulkolämpötilan vuodenaikojen ja päivittäiset muutokset aiheuttavat vaihteluita maaperän ylempien kerrosten lämpötilassa. Ulkoilman lämpötilan päivittäisten vaihteluiden tunkeutumissyvyys ja tulevan auringon säteilyn voimakkuus vaihtelevat maaperän ja ilmasto-olosuhteiden mukaan useista kymmenistä senttimetreistä puoleentoista metriin. Ulkoilman lämpötilan kausivaihtelun ja tulevan auringonsäteilyn voimakkuuden tunkeutumissyvyys ei pääsääntöisesti ylitä 15–20 metriä.
Tämän syvyyden alapuolella ("neutraali vyöhyke") olevien maaperäkerrosten lämpöjärjestelmä muodostuu Maan suolistosta tulevan lämpöenergian vaikutuksesta, eikä se käytännössä riipu vuodenaikojen ja vielä varsinkin ulkoilmaston muuttujien päivittäisistä muutoksista ( kuva 1). Syvyyden kasvaessa myös maan lämpötila nousee geotermisen gradientin mukaisesti (noin 3 °C jokaista 100 metriä kohden). Maan suolistosta tulevan radiogeenisen lämmön virtauksen suuruus vaihtelee eri paikkakunnilla. Yleensä tämä arvo on 0,05–0,12 W / m 2.
Kuva 1. |
Kaasuturbiinivoimalaitoksen toiminnan aikana maaperän massa, joka sijaitsee huonolaatuisen maalämmön keräysjärjestelmän (lämmönkeräysjärjestelmä) maalämpövaihtimen putkirekisterin termisen vaikutuksen vyöhykkeellä vuodenaikojen vaihteluista johtuen ulkoisen ilmaston parametreissa sekä lämmönkeruujärjestelmän käyttökuormituksen vaikutuksesta pääsääntöisesti altistetaan toistuvalle jäätymiselle ja sulattamiselle. Tässä tapauksessa tapahtuu luonnollisesti muutos kosteuden aggregaatiotilassa, joka sisältyy maaperän huokosiin ja yleensä sekä neste- että kiinteä- ja kaasufaasiin samanaikaisesti. Samaan aikaan kapillaarihuokoisissa järjestelmissä, jotka ovat lämmönkeräysjärjestelmän maamassa, kosteuden läsnäolo huokostilassa vaikuttaa huomattavasti lämmön jakautumisprosessiin. Tämän vaikutuksen oikea laskeminen nykyään liittyy merkittäviin vaikeuksiin, jotka liittyvät ensisijaisesti selkeiden käsitysten puutteeseen kosteuden kiinteiden, nestemäisten ja kaasumaisten faasien jakautumisesta järjestelmän tietyssä rakenteessa. Jos maamassan paksuudessa on lämpötilagradientti, vesihöyrymolekyylit siirtyvät paikkoihin, joissa on alhaisempi lämpötilapotentiaali, mutta samalla tapahtuu gravitaatiovoimien vaikutuksesta vastakkaiseen suuntaan nestefaasissa oleva kosteuden virtaus. . Lisäksi maaperän ylempien kerrosten lämpötilajärjestelmään vaikuttavat ilmakehän sateen kosteus sekä pohjavesi.
Suunnittelukohteena olevien maalämmönkeräysjärjestelmien termisen järjestelmän ominaispiirteisiin tulisi kuulua myös tällaisia prosesseja kuvaavien matemaattisten mallien ns. "informatiivinen epävarmuus" tai toisin sanoen luotettavan tiedon puute vaikutuksista maaperään. ympäristöjärjestelmä (ilmakehä ja maaperän massa, joka sijaitsee lämmönkeruujärjestelmän maalämmönvaihtimen lämpövaikutusalueen ulkopuolella) ja niiden lähentämisen äärimmäinen monimutkaisuus. Itse asiassa, jos ulkoilmastojärjestelmään kohdistuvien vaikutusten likiarvo, vaikka se onkin monimutkaista, voidaan silti toteuttaa tietyillä "tietokoneajan" ja olemassa olevien mallien käytön kustannuksilla (esimerkiksi "tyypillinen ilmastovuosi"), ongelma mallin vaikutuksissa ilmakehän järjestelmään kohdistuvan vaikutuksen huomioon ottaminen (kaste, sumu, sade, lumi jne.) sekä likimääräinen lämpövaikutus alla olevan ja ympäröivän lämmönkeruujärjestelmän maamassaan maaperän kerrokset, on käytännössä ratkaisematon nykyään ja voisi olla erillisten tutkimusten kohteena. Joten esimerkiksi vähän tietoa pohjaveden suodatusvirtausten muodostumisprosesseista, niiden nopeusjärjestelmästä sekä mahdottomuus saada luotettavaa tietoa maaperän lämpövaikutusvyöhykkeen alapuolella olevien maakerrosten lämpö- ja kosteustilasta. lämmönsiirrin, vaikeuttaa suuresti oikean matemaattisen mallin rakentamista matalapotentiaalisen lämmönkeruujärjestelmän lämpötiloista.
Kuvattujen kaasuturbiinivoimalaitoksen suunnittelussa ilmenevien vaikeuksien voittamiseksi on kehitetty ja käytännössä testattu menetelmä maalämpöjärjestelmän lämpötilan matemaattiseen mallintamiseen sekä menetelmä kosteuden vaihesiirtymien huomioon ottamiseksi huokostilassa. Lämmönkeräysjärjestelmien maamassaa voidaan suositella kaasuturbiinivoimaloiden suunnittelussa.
Menetelmän ydin on matemaattista mallia rakennettaessa ottaa huomioon kahden ongelman ero: "perus"-tehtävä, joka kuvaa maaperän lämpötilannetta sen luonnollisessa tilassa (ilman maaperän lämmönvaihtimen vaikutusta keräysjärjestelmä) ja ratkaistava ongelma, joka kuvaa maaperän massan lämpötilannetta jäähdytyselementeillä (lähteillä). Tämän seurauksena menetelmällä on mahdollista saada ratkaisu johonkin uuteen toimintoon, joka on funktio jäähdytyselementtien vaikutuksesta maaperän luonnolliseen lämpötilaan ja on yhtä suuri kuin maaperän massan lämpötilaero sen luonnollisessa tilassa. tila ja maamassa nieluilla (lämmönlähteillä) - lämmönkeruujärjestelmän maalämmönvaihtimella. Tämän menetelmän käyttö matemaattisten mallien rakentamisessa matalapotentiaalisen maalämmön keräämiseen tarkoitettujen järjestelmien lämpötiloista mahdollisti paitsi välttää vaikeudet, jotka liittyvät lämmönkeruujärjestelmään kohdistuvien ulkoisten vaikutusten lähentämiseen, vaan myös käytön mallintaa sääasemien kokeellisesti saamia tietoja maaperän luonnollisesta lämpöjärjestelmästä. Tämä mahdollistaa kokonaisten tekijöiden kokonaisuuden (kuten pohjaveden läsnäolon, sen nopeuden ja lämpötilat, maaperän kerrosten rakenteen ja järjestelyn, Maan "termisen" taustan, ilmakehän sademäärät, faasimuutokset) huomioon ottamisen. huokostilan kosteus ja paljon muuta), jotka vaikuttavat merkittävimmin lämmönkeruujärjestelmän lämpötilan muodostumiseen ja joiden yhteinen huomioon ottaminen ongelman tiukassa muotoilussa on käytännössä mahdotonta.
Menetelmä kosteuden vaihesiirtymien huomioimiseksi maamassan huokostilassa kaasuturbiinivoimalaitosta suunniteltaessa perustuu uuteen käsitteeseen maaperän "ekvivalenttisesta" lämmönjohtavuudesta, joka määräytyy korvaamalla lämpöongelma. maa-ainesylinterin järjestelmä, joka on jäätynyt maaperän lämmönvaihtimen putkien ympärille, jolla on "vastaava" kvasistationaarinen ongelma lähellä lämpötilakenttää ja identtisiä raja-olosuhteita, mutta eri "ekvivalentti" lämmönjohtavuus.
Rakennusten maalämpöjärjestelmien suunnittelussa tärkein ratkaistava tehtävä on rakennusalueen ilmaston energiakapasiteetin yksityiskohtainen arviointi ja sen perusteella johtopäätöksen tekeminen sellaisen käytön tehokkuudesta ja kannattavuudesta. tai muu GTTS:n piirisuunnittelu. Nykyisissä säädöksissä annetut ilmastoparametrien lasketut arvot eivät anna täydellistä kuvausta ulkoilmasta, sen vaihtelusta kuukausittain, samoin kuin tiettyinä vuodenaikoina - lämmityskausi, ylikuumenemisjakso jne. Siksi päätettäessä geotermisen lämmön lämpötilapotentiaalista, arvioitaessa sen yhdistelmien mahdollisuutta muiden pienipotentiaalisten luonnon lämmönlähteiden kanssa, arvioitaessa niiden (lähteiden) lämpötilatasoa vuosikierrossa, on tarpeen ottaa mukaan täydellisempiä ilmastotietoja , joka on annettu esimerkiksi Neuvostoliiton ilmastokäsikirjassa (L.: Gidrometioizdat. Numero 1–34).
Tällaisista ilmastotiedoista meidän tapauksessamme meidän tulisi korostaa ensinnäkin:
– tiedot maan keskimääräisestä kuukausilämpötilasta eri syvyyksissä;
– tiedot auringon säteilyn saapumisesta eri suuntautuneille pinnoille.
Taulukossa. Taulukoissa 1–5 on esitetty joidenkin Venäjän kaupunkien kuukausittaiset maan keskilämpötilat eri syvyyksissä. Taulukossa. Taulukossa 1 on esitetty Venäjän federaation 23 kaupungin keskimääräiset kuukausittaiset maaperän lämpötilat 1,6 metrin syvyydessä, mikä vaikuttaa järkevimmältä maaperän lämpötilapotentiaalin ja asennuksen töiden koneistamismahdollisuuksien kannalta. vaakasuuntaisten maaperän lämmönvaihtimien.
| pöytä 1 Maaperän keskilämpötila kuukausittain 1,6 metrin syvyydessä joissakin Venäjän kaupungeissa |
||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
|
| taulukko 2 Maaperän lämpötila Stavropolissa (maaperä - chernozem) |
|||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
|
| Taulukko 3 Maan lämpötilat Jakutskissa (liete-hiekkainen maaperä, jossa on humusta, alla - hiekkaa) |
|||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
|
| Taulukko 4 Pihkovan maaperän lämpötilat (pohja, savimaa, pohjamaa - savi) |
|||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
|
| Taulukko 5 Maaperän lämpötila Vladivostokissa (maaperä ruskea kivinen, bulkki) |
||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
|
Taulukoissa esitetyt tiedot maaperän lämpötilojen luonnollisesta kulusta jopa 3,2 metrin syvyydessä (eli vaakasuuntaisella maalämmönvaihtimella varustetun kaasuturbiinivoimalaitoksen ”työskentely” maakerroksessa) havainnollistavat selkeästi käyttömahdollisuuksia maaperä matalapotentiaalisena lämmönlähteenä. Venäjän alueella samalla syvyydellä sijaitsevien kerrosten lämpötilan suhteellisen pieni muutosväli on ilmeinen. Joten esimerkiksi maaperän vähimmäislämpötila 3,2 metrin syvyydessä pinnasta Stavropolin kaupungissa on 7,4 °C ja Jakutskin kaupungissa - (-4,4 °C); vastaavasti maaperän lämpötilan muutosten vaihteluväli tietyllä syvyydellä on 11,8 astetta. Tämä antaa meille mahdollisuuden luottaa riittävän yhtenäisen lämpöpumppulaitteiston luomiseen, joka soveltuu käytettäväksi käytännössä koko Venäjällä.
Kuten esitetyistä taulukoista voidaan nähdä, maaperän luonnollisen lämpötilan ominaispiirre on maaperän vähimmäislämpötilojen viivästyminen suhteessa ulkoilman vähimmäislämpötilojen saapumisaikaan. Ulkoilman vähimmäislämpötilat havaitaan kaikkialla tammikuussa, Stavropolissa 1,6 metrin syvyydessä maaperän vähimmäislämpötilat havaitaan maaliskuussa, Jakutskissa - maaliskuussa, Sotshissa - maaliskuussa, Vladivostokissa - huhtikuussa. Näin ollen on selvää, että siihen mennessä, kun maaperän minimilämpötilat alkavat, lämpöpumpun lämmönsyöttöjärjestelmän kuormitus (rakennuksen lämpöhäviö) vähenee. Tämä kohta avaa varsin vakavia mahdollisuuksia pienentää GTTS:n asennettua kapasiteettia (pääomakustannussäästöjä), ja se on otettava huomioon suunnittelussa.
Maalämpöpumppujen lämmönjakelujärjestelmien käytön tehokkuuden arvioimiseksi Venäjän ilmasto-olosuhteissa Venäjän federaation alueen kaavoitus tehtiin matalapotentiaalisen geotermisen lämmön käytön tehokkuuden mukaan lämmönhuoltotarkoituksiin. Vyöhykejako suoritettiin numeeristen kokeiden tulosten perusteella, jotka koskevat GTTS:n toimintatapojen mallintamista Venäjän federaation alueen eri alueiden ilmasto-olosuhteissa. Numeeriset kokeet suoritettiin esimerkkinä hypoteettisesta kaksikerroksisesta mökistä, jonka lämmitetty pinta-ala on 200 m 2 ja joka oli varustettu maalämpöpumpulla. Tarkasteltavana olevan talon ulkoseinillä on seuraavat alentuneet lämmönsiirtovastukset:
- ulkoseinät - 3,2 m 2 h ° C / W;
- ikkunat ja ovet - 0,6 m 2 h ° C / W;
- pinnoitteet ja katot - 4,2 m 2 h ° C / W.
Numeerisia kokeita suoritettaessa otettiin huomioon seuraavat asiat:
– maalämmön keruujärjestelmä, jolla on alhainen geotermisen energiankulutus;
– vaakasuora lämmönkeruujärjestelmä, joka on valmistettu polyeteeniputkista, joiden halkaisija on 0,05 m ja pituus 400 m;
– maalämmön keruujärjestelmä, jolla on korkea geotermisen energian kulutustiheys;
– pystysuora lämmönkeruujärjestelmä yhdestä lämpökaivosta, jonka halkaisija on 0,16 m ja pituus 40 m.
Tehdyt tutkimukset ovat osoittaneet, että lämpöenergian kulutus maamassasta lämmityskauden loppuun mennessä aiheuttaa maaperän lämpötilan laskun lähellä lämmönkeruujärjestelmän putkirekisteriä, mikä useimpien maiden maaperä- ja ilmasto-olosuhteissa. Venäjän federaation alueella, ei ole aikaa kompensoida vuoden kesäkaudella, ja seuraavan lämmityskauden alussa maaperä tulee ulos alentuneella lämpötilapotentiaalilla. Lämpöenergian kulutus seuraavan lämmityskauden aikana laskee edelleen maaperän lämpötilaa ja kolmannen lämmityskauden alussa sen lämpötilapotentiaali poikkeaa vielä enemmän luonnollisesta. Ja niin edelleen... Lämmönkeruujärjestelmän pitkäaikaisen toiminnan lämpövaikutusten verhot maaperän luonnolliseen lämpötilajärjestelmään ovat kuitenkin luonteeltaan selvästi eksponentiaalisia, ja viidentenä käyttövuonna maaperä joutuu uusi järjestelmä, joka on lähellä jaksollista, eli viidennestä käyttövuodesta alkaen lämmönkeruujärjestelmän maamassan pitkäaikaiseen lämpöenergian kulutukseen liittyy säännöllisiä muutoksia sen lämpötilassa. Siten Venäjän federaation aluetta kaavoitettaessa oli tarpeen ottaa huomioon maaperän lämpötilojen lasku, joka aiheutui lämmönkeruujärjestelmän pitkäaikaisesta toiminnasta, ja käyttää 5. vuoden odotettavissa olevia maaperän lämpötiloja. GTTS:n toiminnasta maaperän lämpötilojen suunnitteluparametreina. Kun otetaan huomioon tämä seikka, kun Venäjän federaation alue kaavoitetaan GTES:n käytön tehokkuuden mukaan, maalämpöpumpun lämmönjakelujärjestelmän tehokkuuden kriteerinä, keskimääräinen lämmön muunnoskerroin viidennelle käyttövuodelle valittiin Kr tr, joka on GTST:n tuottaman hyödyllisen lämpöenergian suhde sen käyttövoimaan käytettyyn energiaan, ja se määritettiin ihanteellista termodynaamista Carnot-sykliä varten seuraavasti:
K tr \u003d T o / (T o - T u), (1)
missä T o on lämmitys- tai lämmönsyöttöjärjestelmään poistetun lämmön lämpötilapotentiaali, K;
T ja - lämmönlähteen lämpötilapotentiaali, K.
Lämpöpumppulämmönsyöttöjärjestelmän muuntokerroin K tr on kuluttajan lämmönjakelujärjestelmään poistetun hyötylämmön suhde GTST:n toimintaan kulutettuun energiaan ja on numeerisesti yhtä suuri kuin hyötylämmön määrä, joka saadaan lämpötilat T o ja T sekä GTST-taajuusmuuttajaan käytettyä energiayksikköä kohti. Todellinen muunnossuhde eroaa kaavalla (1) kuvatusta ideaalista kertoimen h arvolla, joka ottaa huomioon GTST:n termodynaamisen täydellisyyden asteen ja palautumattomat energiahäviöt syklin toteutuksen aikana.
Numeeriset kokeet suoritettiin INSOLAR-INVEST OJSC:ssä luodun ohjelman avulla, joka varmistaa lämmönkeruujärjestelmän optimaalisten parametrien määrittämisen riippuen rakennusalueen ilmasto-olosuhteista, rakennuksen lämpösuojausominaisuuksista, lämpöpumppulaitteiden, kiertovesipumppujen, lämmitysjärjestelmän lämmityslaitteiden suorituskykyominaisuudet sekä niiden toimintatavat. Ohjelma perustuu aiemmin kuvattuun menetelmään matemaattisten mallien rakentamiseksi matalapotentiaalisen maalämmön keräämisjärjestelmien lämpötiloista, mikä mahdollisti mallien informatiiviseen epävarmuuteen ja ulkoisten vaikutusten lähentämiseen liittyvät vaikeudet, koska ohjelmassa käytetään kokeellisesti saatuja tietoja maaperän luonnollisesta lämpötilasta, mikä mahdollistaa osan tekijöiden kokonaisuuden huomioon ottamisen (kuten pohjaveden läsnäolo, niiden nopeus ja lämpötilat, rakenne ja maakerrosten sijainti, Maan "terminen" tausta, sademäärä, kosteuden faasimuutokset huokostilassa ja paljon muuta), jotka vaikuttavat eniten järjestelmän lämmönkeruun lämpötilan muodostumiseen ja yhteiseen laskentaan. mikä ongelman tiukassa muotoilussa on nykyään käytännössä mahdotonta. Ratkaisuna "perusongelmaan" käytettiin SSSR Climate Handbookin (L.: Gidrometioizdat. Issue 1-34) tietoja.
Ohjelma itse asiassa mahdollistaa GTTS-konfiguraation moniparametrisen optimoinnin ongelman ratkaisemisen tietylle rakennus- ja rakennusalueelle. Samalla optimointitehtävän tavoitefunktiona on kaasuturbiinivoimalaitoksen toiminnan vähimmäisvuosittaiset energiakustannukset ja optimointikriteereinä maalämmönvaihtimen putkien säde, sen (lämmönvaihtimen) pituus. ja syvyys.
Numeeristen kokeiden tulokset ja Venäjän alueen kaavoitus matalapotentiaalisen geotermisen lämmön käytön tehokkuuden suhteen rakennusten lämmönjakelussa on esitetty graafisesti kuvassa 1. 2–9.
Kuvassa Kuvassa 2 on esitetty maalämpöpumppulämmönjakelujärjestelmien muunnoskertoimen arvot ja isoliniot vaakatason lämmönkeruujärjestelmillä, ja kuvassa 2. 3 - GTST:lle, jossa on pystysuorat lämmönkeruujärjestelmät. Kuten kuvista voidaan nähdä, Etelä-Venäjällä voidaan odottaa maksimiarvoja р 4,24 vaakatason lämmönkeräysjärjestelmissä ja 4,14 £ pystysuorassa järjestelmässä ja vähimmäisarvot vastaavasti 2,87 ja 2,73 pohjoisessa Uelen. Keski-Venäjällä vaakasuuntaisten lämmönkeräysjärjestelmien Кр tr:n arvot ovat välillä 3,4–3,6 ja pystysuorien järjestelmien välillä 3,2–3,4. Suhteellisen korkeat arvot Кр tr (3,2–3,5) ovat huomionarvoisia Kaukoidän alueilla, alueilla, joilla on perinteisesti vaikeat polttoaineen toimitusolosuhteet. Ilmeisesti Kaukoitä on GTST:n ensisijaisen täytäntöönpanon alue.
Kuvassa Kuvassa 4 esitetään "vaakasuuntaisen" GTST + PD (peak closer) -käytön vuosittaisten energiakustannusten arvot ja isolinjat, mukaan lukien lämmityksen, ilmanvaihdon ja kuuman veden syöttöenergiakustannukset, vähennettynä 1 m 2 lämmitetystä. alueella ja kuvassa. 5 - GTST:lle, jossa on pystysuorat lämmönkeruujärjestelmät. Kuten kuvista näkyy, vaakasuuntaisten kaasuturbiinivoimaloiden käytön vuotuinen ominaisenergiankulutus, 1 m 2:een rakennuksen lämmitetystä pinta-alasta, vaihtelee välillä 28,8 kWh / (vuosi m 2) Etelä-Venäjällä 241 kWh / (vuosi m 2) Moskovassa. Jakutsk ja pystysuorassa kaasuturbiinivoimaloissa vastaavasti 28,7 kWh / / (vuosi m 2) etelässä ja 248 kWh / / ( vuosi m 2) Jakutskissa. Jos kerromme tietyn alueen kuvissa näkyvän kaasuturbiinivoimalaitoksen käytön vuotuisen energian ominaiskulutuksen arvolla tämän alueen arvolla K p tr, vähennettynä 1:llä, saadaan säästetty energiamäärä. kaasuturbiinivoimalaitoksella 1 m 2 lämmitettävästä pinta-alasta vuodessa. Esimerkiksi Moskovassa pystysuorassa kaasuturbiinivoimalaitoksessa tämä arvo on 189,2 kWh / 1 m 2 vuodessa. Vertailun vuoksi voidaan mainita Moskovan energiansäästöstandardien MGSN 2.01–99 määrittämät ominaisenergiankulutuksen arvot matalille rakennuksille tasolla 130 ja monikerroksisille rakennuksille 95 kWh / (vuosi m 2) . Samanaikaisesti MGSN 2.01–99:llä normalisoidut energiakustannukset sisältävät vain lämmityksen ja ilmanvaihdon energiakustannukset, meidän tapauksessamme energiakustannukset sisältävät myös lämpimän veden energiakustannukset. Tosiasia on, että nykyisten standardien mukainen lähestymistapa rakennuksen toiminnan energiakustannusten arviointiin erottaa rakennuksen lämmityksen ja ilmanvaihdon energiakustannukset sekä sen kuuman käyttöveden energiakustannukset erillisinä erinä. Samaan aikaan kuuman veden energiakustannuksia ei ole standardoitu. Tämä lähestymistapa ei vaikuta oikealta, koska kuuman veden energiakustannukset ovat usein oikeassa suhteessa lämmityksen ja ilmanvaihdon energiakustannuksiin.
Kuvassa Kuvassa 6 on esitetty huipun lähentimen lämpötehon (PD) ja vaakasuuntaisen GTST:n asennetun sähkötehon rationaalisen suhteen arvot ja isoliinit yksikön murto-osina, ja kuvassa 1. 7 - GTST:lle, jossa on pystysuorat lämmönkeruujärjestelmät. Huipun läheisyydessä olevan lämpötehon ja GTST:n asennetun sähkötehon (pois lukien PD) rationaalisen suhteen kriteerinä oli GTST + PD:n käytön vähimmäisvuosittainen sähkökustannus. Kuten kuvista voidaan nähdä, termisen PD:n ja sähköisen GTPP:n (ilman PD:tä) rationaalinen suhde vaihtelee Etelä-Venäjän 0:sta 2,88:aan vaakasuorassa GTPP:ssä ja 2,92:een Jakutskin pystysuorassa järjestelmässä. Venäjän federaation alueen keskikaistalla ovensulkimen lämpötehon ja GTST + PD:n asennetun sähkötehon rationaalinen suhde on 1,1–1,3 sekä vaaka- että pystysuorassa GTST:ssä. Tässä kohtaa on syytä pohtia tarkemmin. Tosiasia on, että kun esimerkiksi korvataan sähkölämmitys Keski-Venäjällä, meillä on itse asiassa mahdollisuus vähentää lämmitettyyn rakennukseen asennettujen sähkölaitteiden tehoa 35-40% ja vastaavasti vähentää RAO UES:ltä pyydettyä sähkötehoa. , joka nykyään "maksaa" noin 50 tuhatta ruplaa. per 1 kW taloon asennettua sähkötehoa. Joten esimerkiksi mökille, jonka lasketut lämpöhäviöt kylmimmällä viiden päivän jaksolla on 15 kW, säästämme 6 kW asennettua sähkötehoa ja vastaavasti noin 300 tuhatta ruplaa. tai ≈ 11,5 tuhatta Yhdysvaltain dollaria. Tämä luku on käytännössä sama kuin tällaisen lämpökapasiteetin GTST:n hinta.
Siten, jos otamme oikein huomioon kaikki kustannukset, jotka liittyvät rakennuksen liittämiseen keskitettyyn virtalähteeseen, käy ilmi, että nykyisten sähkön ja keskitettyjen tehonsyöttöverkkojen tariffien kanssa Venäjän federaation alueen keskuskaistalla GTST osoittautuu jopa kertakulujen perusteella kannattavammaksi kuin sähkölämmitys, puhumattakaan 60 %:n energiansäästöstä.
Kuvassa Kuva 8 esittää vuoden aikana piikin lähentämisen (PD) tuottaman lämpöenergian osuuden arvot ja isolinjat vaakasuuntaisen GTST + PD -järjestelmän vuotuisesta kokonaisenergiankulutuksesta prosentteina ja kuvassa 2. 9 - GTST:lle, jossa on pystysuorat lämmönkeruujärjestelmät. Kuten kuvista näkyy, vuoden aikana piikin lähentämisen (PD) tuottaman lämpöenergian osuus horisontaalisen GTST + PD -järjestelmän vuotuisesta kokonaisenergiankulutuksesta vaihtelee Etelä-Venäjän 0 %:sta 38–40 %:iin. % Jakutskissa ja Turassa ja pystysuorassa GTST+PD:ssä - vastaavasti 0 %:sta etelässä ja 48,5 %:iin Jakutskissa. Venäjän keskivyöhykkeellä nämä arvot ovat noin 5–7 % sekä pysty- että vaakasuuntaisessa GTS:ssä. Nämä ovat pieniä energiakustannuksia, ja tässä suhteessa sinun on oltava varovainen valitessasi huippua lähempänä. Järkevimmät sekä 1 kW tehon pääomasijoitusten että automaation kannalta ovat huippusähköajurit. Huomionarvoista on pellettikattiloiden käyttö.
Lopuksi haluaisin puhua erittäin tärkeästä asiasta: rakennusten lämpösuojauksen järkevän tason valinnasta. Tämä ongelma on nykyään erittäin vakava tehtävä, jonka ratkaiseminen edellyttää vakavaa numeerista analyysiä, jossa otetaan huomioon ilmastomme erityispiirteet ja käytettävien teknisten laitteiden ominaisuudet, keskitettyjen verkkojen infrastruktuuri sekä ympäristötilanne. kaupungit, jotka heikkenevät kirjaimellisesti silmiemme edessä, ja paljon muuta. On ilmeistä, että jo nykyään on väärin muotoilla vaatimuksia rakennuksen kuorelle ottamatta huomioon sen (rakennuksen) suhdetta ilmastoon ja energianhuoltojärjestelmään, sähköverkkoihin jne. Tästä johtuen aivan lähitulevaisuudessa rationaalisen lämpösuojauksen tason valinnan ongelman ratkaisu on mahdollista vain, kun otetaan huomioon monimutkainen rakennus + energiansyöttöjärjestelmä + ilmasto + ympäristö yhtenä ekoenergiajärjestelmänä, ja tällä lähestymistavalla saadaan kilpailuetuja. GTTS:tä kotimarkkinoilla tuskin voi yliarvioida.
Kirjallisuus
1. Sanner B. Maalämpölähteet lämpöpumppuille (luokitus, ominaisuudet, edut). Maalämpöpumppujen kurssi, 2002.
2. Vasiliev G. P. Rakennusten lämpösuojan taloudellisesti kannattava taso // Energiansäästö. - 2002. - Nro 5.
3. Vasiliev G. P. Rakennusten ja rakenteiden lämpö- ja kylmähuolto käyttämällä maapallon pintakerrosten matalapotentiaalista lämpöenergiaa: Monografia. Kustantaja "Border". – M.: Krasnaya Zvezda, 2006.