Temperatura terrestre in profondità 2. Dieci miti sui sistemi di riscaldamento e raffrescamento geotermici

Immagina una casa sempre a una temperatura confortevole, senza riscaldamento o raffrescamento in vista. Questo sistema funziona in modo efficiente, ma non richiede una manutenzione complessa o conoscenze speciali da parte dei proprietari.

Aria fresca, si sente il cinguettio degli uccelli e il vento che gioca pigramente con le foglie degli alberi. La casa riceve energia dalla terra, come le foglie, che ricevono energia dalle radici. Bella foto, vero?

I sistemi di riscaldamento e raffrescamento geotermici rendono tutto questo una realtà. Un sistema geotermico HVAC (riscaldamento, ventilazione e condizionamento dell'aria) utilizza la temperatura del suolo per fornire riscaldamento in inverno e raffrescamento in estate.

Come funziona il riscaldamento e il raffrescamento geotermico

La temperatura ambiente cambia con le stagioni, ma la temperatura del sottosuolo non cambia molto a causa delle proprietà isolanti della terra. A una profondità di 1,5-2 metri, la temperatura rimane relativamente costante tutto l'anno. Un sistema geotermico è tipicamente costituito da apparecchiature di trattamento interne, un sistema di tubazioni sotterranee chiamato anello sotterraneo e/o una pompa di circolazione dell'acqua. Il sistema utilizza la temperatura costante della terra per fornire energia "pulita e gratuita".

(Non confondere il concetto di sistema geotermico NHC con "energia geotermica" - un processo in cui l'elettricità viene generata direttamente dal calore della terra. In quest'ultimo caso, viene utilizzato un diverso tipo di apparecchiature e altri processi, lo scopo di cui di solito è quello di riscaldare l'acqua fino al punto di ebollizione.)

I tubi che compongono l'ansa interrata sono solitamente realizzati in polietilene e possono essere posati orizzontalmente o verticalmente nel sottosuolo, a seconda del terreno. Se è disponibile una falda acquifera, gli ingegneri possono progettare un sistema "a circuito aperto" perforando un pozzo nella falda freatica. L'acqua viene pompata fuori, passa attraverso uno scambiatore di calore e quindi iniettata nella stessa falda acquifera tramite "reiniezione".

In inverno, l'acqua, passando attraverso un anello sotterraneo, assorbe il calore della terra. L'attrezzatura interna aumenta ulteriormente la temperatura e la distribuisce in tutto l'edificio. È come un condizionatore che funziona al contrario. Durante l'estate, un sistema geotermico NWC preleva acqua calda dall'edificio e la trasporta attraverso un circuito/pompa sotterranea fino a un pozzo di reiniezione, da dove l'acqua entra nel terreno/falda acquifera più fresca.

A differenza dei sistemi di riscaldamento e raffreddamento convenzionali, i sistemi HVAC geotermici non utilizzano combustibili fossili per generare calore. Prendono semplicemente calore dalla terra. In genere, l'elettricità viene utilizzata solo per azionare la ventola, il compressore e la pompa.

Ci sono tre componenti principali in un sistema di raffreddamento e riscaldamento geotermico: una pompa di calore, un fluido di scambio termico (sistema aperto o chiuso) e un sistema di alimentazione dell'aria (sistema di tubazioni).

Per le pompe di calore geotermiche, così come per tutte le altre tipologie di pompe di calore, è stato misurato il rapporto tra la loro azione utile e l'energia spesa per tale azione (EFFICIENZA). La maggior parte dei sistemi a pompa di calore geotermica ha un'efficienza compresa tra 3,0 e 5,0. Ciò significa che il sistema converte un'unità di energia in 3-5 unità di calore.

Gli impianti geotermici non richiedono manutenzioni complesse. Installato correttamente, il che è molto importante, il circuito sotterraneo può funzionare correttamente per diverse generazioni. Il ventilatore, il compressore e la pompa sono alloggiati all'interno e protetti dalle mutevoli condizioni meteorologiche, quindi possono durare molti anni, spesso decenni. I controlli periodici di routine, la sostituzione tempestiva del filtro e la pulizia annuale della batteria sono le uniche operazioni di manutenzione richieste.

Esperienza nell'uso di sistemi CNV geotermici

I sistemi geotermici NVC sono utilizzati da oltre 60 anni in tutto il mondo. Lavorano con la natura, non contro di essa, e non emettono gas serra (come notato in precedenza, usano meno elettricità perché usano la temperatura costante della terra).

I sistemi geotermici NVC stanno diventando sempre più attributi delle case verdi, come parte del crescente movimento di bioedilizia. I progetti verdi hanno rappresentato il 20 percento di tutte le case costruite negli Stati Uniti l'anno scorso. Un articolo del Wall Street Journal afferma che entro il 2016 il budget per la bioedilizia salirà da 36 miliardi di dollari all'anno a 114 miliardi di dollari. Ciò ammonterà al 30-40 percento dell'intero mercato immobiliare.

Ma gran parte delle informazioni sul riscaldamento e il raffreddamento geotermico si basano su dati obsoleti o miti infondati.

Distruggere i miti sui sistemi geotermici NWC

1. I sistemi geotermici NVC non sono una tecnologia rinnovabile perché utilizzano l'elettricità.

Fatto: i sistemi HVAC geotermici utilizzano solo un'unità di elettricità per produrre fino a cinque unità di raffreddamento o riscaldamento.

2. L'energia solare e l'energia eolica sono tecnologie rinnovabili più favorevoli rispetto ai sistemi geotermici CNV.

Fatto: i sistemi geotermici NVC per un dollaro elaborano quattro volte più kilowatt/ora rispetto a quelli generati dall'energia solare o eolica per lo stesso dollaro. Queste tecnologie possono, ovviamente, svolgere un ruolo importante per l'ambiente, ma un sistema geotermico NHC è spesso il modo più efficiente ed economico per ridurre l'impatto ambientale.

3. L'impianto geotermico CNV richiede molto spazio per accogliere le tubazioni in polietilene dell'anello sotterraneo.

Fatto: a seconda del terreno, il circuito sotterraneo può essere posizionato verticalmente, il che significa che è necessaria una piccola superficie. Se è disponibile una falda acquifera, sono necessari solo pochi metri quadrati di superficie. Si noti che l'acqua ritorna alla stessa falda acquifera da cui è stata prelevata dopo essere passata attraverso lo scambiatore di calore. Pertanto, l'acqua non defluisce e non inquina la falda acquifera.

4. Le pompe di calore geotermiche HVK sono rumorose.

Fatto: I sistemi sono molto silenziosi e non ci sono apparecchiature all'esterno per non disturbare i vicini.

5. I sistemi geotermici alla fine si consumano.

Fatto: i circuiti sotterranei possono durare per generazioni. Le apparecchiature per lo scambio di calore in genere durano decenni poiché sono protette all'interno. Quando arriva il momento di sostituire le apparecchiature, il costo di tale sostituzione è molto inferiore a quello di un nuovo sistema geotermico, poiché il circuito sotterraneo e il pozzo sono le sue parti più costose. Nuove soluzioni tecniche eliminano il problema della ritenzione di calore nel terreno, così il sistema può scambiare temperature in quantità illimitate. In passato ci sono stati casi di sistemi calcolati male che hanno effettivamente surriscaldato o sottoraffreddato il terreno al punto in cui non c'era più la differenza di temperatura necessaria per far funzionare il sistema.

6. I sistemi HVAC geotermici funzionano solo per il riscaldamento.

Fatto: funzionano in modo altrettanto efficiente per il raffreddamento e possono essere progettati in modo che non sia necessaria una fonte di calore di riserva aggiuntiva. Anche se alcuni clienti decidono che è più conveniente disporre di un piccolo sistema di backup per i periodi più freddi. Ciò significa che il loro circuito sotterraneo sarà più piccolo e quindi più economico.

7. I sistemi HVAC geotermici non possono riscaldare simultaneamente l'acqua sanitaria, l'acqua della piscina e riscaldare una casa.

Fatto: i sistemi possono essere progettati per svolgere molte funzioni contemporaneamente.

8. I sistemi geotermici NHC inquinano il suolo con refrigeranti.

Fatto: la maggior parte dei sistemi utilizza solo acqua nei cardini.

9. I sistemi geotermici NWC utilizzano molta acqua.

Fatto: i sistemi geotermici in realtà non consumano acqua. Se l'acqua sotterranea viene utilizzata per lo scambio di temperatura, tutta l'acqua ritorna nella stessa falda acquifera. In passato, infatti, venivano utilizzati alcuni sistemi che sprecavano l'acqua dopo essere passata attraverso lo scambiatore di calore, ma oggigiorno tali sistemi sono poco utilizzati. Guardando la questione da un punto di vista commerciale, i sistemi geotermici HC consentono di risparmiare milioni di litri d'acqua che sarebbero evaporati nei sistemi tradizionali.

10. La tecnologia CNV geotermica non è finanziariamente fattibile senza incentivi fiscali statali e regionali.

Fatto: gli incentivi statali e regionali in genere ammontano al 30-60% del costo totale di un sistema geotermico, il che spesso può portare il prezzo iniziale vicino al prezzo delle apparecchiature convenzionali. I sistemi ad aria HVAC standard costano circa $ 3.000 per tonnellata di calore o freddo (le case usano in genere da una a cinque tonnellate). Il prezzo dei sistemi NVC geotermici varia da circa $ 5.000 per tonnellata a $ 8.000-9.000. Tuttavia, i nuovi metodi di installazione riducono notevolmente i costi, fino ai prezzi dei sistemi convenzionali.

Il risparmio sui costi può essere ottenuto anche attraverso sconti su apparecchiature per uso pubblico o commerciale, o anche grandi ordini per la casa (soprattutto da grandi marchi come Bosch, Carrier e Trane). I circuiti aperti, che utilizzano una pompa e un pozzo di reiniezione, sono più economici da installare rispetto ai sistemi chiusi.

Fonte: energyblog.nationalgeographic.com

Invece di una prefazione.
Persone intelligenti e benevole mi hanno fatto notare non che questo caso vada valutato solo in un ambiente non stazionario, a causa dell'enorme inerzia termica della terra e tenga conto del regime annuale degli sbalzi di temperatura. L'esempio completato è stato risolto per un campo termico stazionario, quindi ha risultati ovviamente errati, quindi dovrebbe essere considerato solo come una sorta di modello idealizzato con un numero enorme di semplificazioni che mostrano la distribuzione della temperatura in modo stazionario. Quindi, come si suol dire, qualsiasi coincidenza è pura coincidenza...

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Come al solito non fornirò molti dettagli sulle conducibilità termiche accettate e sugli spessori dei materiali, mi limiterò a descriverne solo alcuni, assumiamo che altri elementi siano il più vicino possibile alle strutture reali - le caratteristiche termofisiche sono assegnate correttamente, e gli spessori dei materiali sono adeguati ai casi reali di pratica edilizia. Lo scopo dell'articolo è di avere un'idea quadro della distribuzione della temperatura al confine edificio-terra in varie condizioni.

Un po' di quello che c'è da dire. Gli schemi calcolati in questo esempio contengono 3 limiti di temperatura, il 1° è l'aria interna dei locali dell'edificio riscaldato +20 o C, il 2° è l'aria esterna -10 o C (-28 o C) e il 3° è la temperatura del terreno ad una certa profondità, alla quale oscilla intorno ad un certo valore costante. In questo esempio, il valore di questa profondità è 8 me la temperatura è +10 ° C. Qui qualcuno può discutere con me riguardo ai parametri accettati del 3° confine, ma la disputa sui valori esatti è non compito di questo articolo, così come i risultati ottenuti non pretendono di particolare accuratezza e possibilità di vincolarsi ad uno specifico caso progettuale. Ripeto, il compito è quello di avere un'idea quadro fondamentale della distribuzione della temperatura e di testare alcune delle idee consolidate su questo tema.

Ora dritti al punto. Quindi le tesi da testare.
1. Il terreno sotto un edificio riscaldato ha una temperatura positiva.
2. Profondità normativa del congelamento del suolo (questa è più una domanda che un'affermazione). Il manto nevoso del suolo viene preso in considerazione quando si riportano i dati di congelamento nei rapporti geologici, perché, di norma, l'area intorno alla casa viene sgomberata dalla neve, vengono puliti sentieri, marciapiedi, aree cieche, parcheggi, ecc.?

Il congelamento del suolo è un processo nel tempo, quindi per il calcolo prenderemo la temperatura esterna uguale alla temperatura media del mese più freddo -10 o C. Prenderemo il terreno con la lambda ridotta \u003d 1 per l'intera profondità.

Fig. 1. Schema di calcolo.

Fig.2. Isole di temperatura. Schema senza manto nevoso.

In generale, la temperatura del suolo sotto l'edificio è positiva. I massimi sono più vicini al centro dell'edificio, i minimi alle pareti esterne. L'isolina di zero temperature in orizzontale riguarda solo la proiezione dell'ambiente riscaldato sul piano orizzontale.
Il congelamento del suolo lontano dall'edificio (cioè il raggiungimento di temperature negative) si verifica a una profondità di ~2,4 metri, che è più del valore normativo per la regione convenzionalmente selezionata (1,4-1,6 m).

Ora aggiungiamo 400 mm di neve mediamente densa con una lambda di 0,3.

Fig.3. Isole di temperatura. Schema con manto nevoso 400mm.

Le isole di temperature positive spostano le temperature negative all'esterno, solo le temperature positive sotto l'edificio.
Congelamento del suolo sotto il manto nevoso ~1,2 metri (-0,4 m di neve = 0,8 m di congelamento del suolo). La "coperta" di neve riduce significativamente la profondità del congelamento (quasi 3 volte).
Apparentemente, la presenza del manto nevoso, la sua altezza e il grado di compattazione non è un valore costante, pertanto la profondità media di congelamento è nell'intervallo dei risultati di 2 schemi, (2,4 + 0,8) * 0,5 = 1,6 metri, che corrisponde al valore standard.

Ora vediamo cosa succede se le forti gelate colpiscono (-28 o C) e rimangono abbastanza a lungo perché il campo termico si stabilizzi, mentre non c'è manto nevoso intorno all'edificio.

Fig.4. Schema a -28 di Senza manto nevoso.

Le temperature negative strisciano sotto l'edificio, le temperature positive premono contro il pavimento della stanza riscaldata. Nella zona delle fondamenta, i terreni gelano. A distanza dall'edificio, i terreni gelano di circa 4,7 metri.

Vedi i post precedenti del blog.

Nel nostro Paese, ricco di idrocarburi, l'energia geotermica è una sorta di risorsa esotica che, allo stato attuale, difficilmente potrà competere con petrolio e gas. Tuttavia, questa forma alternativa di energia può essere utilizzata quasi ovunque e in modo abbastanza efficiente.

L'energia geotermica è il calore dell'interno della terra. Viene prodotto nelle profondità e affiora sulla superficie della Terra in diverse forme e con diversa intensità.

La temperatura degli strati superiori del suolo dipende principalmente da fattori esterni (esogeni): luce solare e temperatura dell'aria. In estate e durante il giorno il terreno si riscalda fino a determinate profondità, in inverno e di notte si raffredda al variare della temperatura dell'aria e con un certo ritardo, aumentando con la profondità. L'influenza delle fluttuazioni giornaliere della temperatura dell'aria termina a profondità da poche a diverse decine di centimetri. Le fluttuazioni stagionali catturano strati più profondi del suolo, fino a decine di metri.

Ad una certa profondità - da decine a centinaia di metri - la temperatura del suolo viene mantenuta costante, pari alla temperatura media annuale dell'aria in prossimità della superficie terrestre. Questo è facile da verificare scendendo in una grotta abbastanza profonda.

Quando la temperatura media annuale dell'aria in una determinata area è inferiore allo zero, questo si manifesta come permafrost (più precisamente, permafrost). Nella Siberia orientale, lo spessore, cioè lo spessore, dei terreni ghiacciati tutto l'anno raggiunge in alcuni punti i 200-300 m.

Da una certa profondità (propria per ogni punto della mappa), l'effetto del Sole e dell'atmosfera si indebolisce a tal punto che i fattori endogeni (interni) vengono prima e l'interno della terra viene riscaldato dall'interno, così che la temperatura inizia a salire salire con la profondità.

Il riscaldamento degli strati profondi della Terra è associato principalmente al decadimento degli elementi radioattivi che vi si trovano, sebbene anche altre fonti di calore siano denominate, ad esempio, processi fisico-chimici e tettonici negli strati profondi della crosta terrestre e del mantello. Ma qualunque sia la causa, la temperatura delle rocce e delle sostanze liquide e gassose associate aumenta con la profondità. I minatori affrontano questo fenomeno: nelle miniere profonde fa sempre caldo. A una profondità di 1 km, il calore di trenta gradi è normale e più in profondità la temperatura è ancora più alta.

Il flusso di calore dell'interno della terra, che raggiunge la superficie terrestre, è piccolo: in media, la sua potenza è di 0,03–0,05 W / m 2 o circa 350 W h / m 2 all'anno. Sullo sfondo del flusso di calore del Sole e dell'aria da esso riscaldata, questo è un valore impercettibile: il Sole fornisce a ogni metro quadrato della superficie terrestre circa 4000 kWh all'anno, cioè 10.000 volte di più (ovviamente, questo è mediamente, con un'enorme divaricazione tra latitudini polari ed equatoriali e dipendente da altri fattori climatici e meteorologici).

L'insignificanza del flusso di calore dalle profondità alla superficie nella maggior parte del pianeta è associata alla bassa conducibilità termica delle rocce e alle peculiarità della struttura geologica. Ma ci sono delle eccezioni: luoghi in cui il flusso di calore è elevato. Si tratta, in primo luogo, di zone di faglie tettoniche, aumento dell'attività sismica e vulcanismo, dove l'energia dell'interno della terra trova una via d'uscita. Tali zone sono caratterizzate da anomalie termiche della litosfera, qui il flusso di calore che raggiunge la superficie terrestre può essere molte volte e anche ordini di grandezza più potente di quello "normale". Un'enorme quantità di calore viene portata in superficie in queste zone dalle eruzioni vulcaniche e dalle sorgenti termali d'acqua.

Sono queste le aree più favorevoli allo sviluppo dell'energia geotermica. Sul territorio della Russia, questi sono, prima di tutto, la Kamchatka, le Isole Curili e il Caucaso.

Allo stesso tempo, lo sviluppo dell'energia geotermica è possibile quasi ovunque, poiché l'aumento della temperatura con la profondità è un fenomeno onnipresente e il compito è quello di "estrarre" calore dalle viscere, proprio come da lì vengono estratte le materie prime minerali.

In media, la temperatura aumenta con la profondità di 2,5–3 ° C ogni 100 m Il rapporto tra la differenza di temperatura tra due punti che si trovano a profondità diverse e la differenza di profondità tra loro è chiamato gradiente geotermico.

Il reciproco è il gradino geotermico, ovvero l'intervallo di profondità in cui la temperatura aumenta di 1°C.

Più alto è il gradiente e, di conseguenza, più basso è il gradino, più il calore delle profondità della Terra si avvicina alla superficie e più quest'area è promettente per lo sviluppo dell'energia geotermica.

In diverse aree, a seconda della struttura geologica e di altre condizioni regionali e locali, il tasso di aumento della temperatura con la profondità può variare notevolmente. Sulla scala della Terra, le fluttuazioni dei valori dei gradienti e dei gradini geotermici raggiungono 25 volte. Ad esempio, nello stato dell'Oregon (USA) la pendenza è di 150°C per 1 km e in Sud Africa è di 6°C per 1 km.

La domanda è: qual è la temperatura a grandi profondità - 5, 10 km o più? Se la tendenza continua, le temperature a una profondità di 10 km dovrebbero raggiungere una media di circa 250–300°C. Ciò è più o meno confermato dalle osservazioni dirette in pozzi ultraprofondi, sebbene il quadro sia molto più complicato dell'aumento lineare della temperatura.

Ad esempio, nel pozzo superprofondo di Kola perforato nel Baltic Crystalline Shield, la temperatura cambia a una velocità di 10°C/1 km fino a una profondità di 3 km, quindi il gradiente geotermico diventa 2–2,5 volte maggiore. A una profondità di 7 km è già stata registrata una temperatura di 120°C, a 10 km - 180°C, ea 12 km - 220°C.

Un altro esempio è un pozzo posato nel Caspio settentrionale, dove a una profondità di 500 m è stata registrata una temperatura di 42°C, a 1,5 km - 70°C, a 2 km - 80°C, a 3 km - 108°C.

Si ipotizza che il gradiente geotermico decresca a partire da una profondità di 20–30 km: a una profondità di 100 km, le temperature stimate sono di circa 1300–1500°C, a una profondità di 400 km - 1600°C, nella core (profondità superiore a 6000 km) - 4000–5000° C.

A profondità fino a 10–12 km, la temperatura viene misurata attraverso pozzi perforati; dove non esistono, è determinato dai segni indiretti allo stesso modo che a profondità maggiori. Tali segni indiretti possono essere la natura del passaggio delle onde sismiche o la temperatura della lava in eruzione.

Tuttavia, ai fini della geotermia, i dati sulle temperature a profondità superiori a 10 km non sono ancora di interesse pratico.

C'è molto calore a profondità di diversi chilometri, ma come aumentarlo? A volte la natura stessa risolve questo problema per noi con l'aiuto di un refrigerante naturale: acque termali riscaldate che affiorano in superficie o giacciono a una profondità a noi accessibile. In alcuni casi, l'acqua nelle profondità viene riscaldata allo stato di vapore.

Non esiste una definizione rigida del concetto di "acque termali". Di norma, significano acque sotterranee calde allo stato liquido o sotto forma di vapore, comprese quelle che arrivano sulla superficie terrestre con una temperatura superiore a 20 ° C, cioè, di regola, superiore alla temperatura dell'aria.

Il calore delle acque sotterranee, del vapore, delle miscele vapore-acqua è energia idrotermale. Di conseguenza, l'energia basata sul suo utilizzo è chiamata idrotermale.

La situazione è più complicata con la produzione di calore direttamente dalle rocce secche: l'energia petrotermica, soprattutto perché le temperature sufficientemente elevate, di regola, iniziano da profondità di diversi chilometri.

Sul territorio della Russia, il potenziale dell'energia petrotermica è cento volte superiore a quello dell'energia idrotermale: rispettivamente 3.500 e 35 trilioni di tonnellate di carburante standard. Questo è abbastanza naturale: il calore delle profondità della Terra è ovunque e le acque termali si trovano localmente. Tuttavia, per evidenti difficoltà tecniche, la maggior parte delle acque termali è attualmente utilizzata per la produzione di calore ed elettricità.

Temperature dell'acqua da 20-30 a 100°C sono adatte per il riscaldamento, temperature da 150°C e oltre - e per la generazione di elettricità nelle centrali geotermiche.

In generale, le risorse geotermiche sul territorio della Russia, in termini di tonnellate di combustibile di riferimento o qualsiasi altra unità di misura energetica, sono circa 10 volte superiori alle riserve di combustibili fossili.

Teoricamente, solo l'energia geotermica potrebbe soddisfare pienamente il fabbisogno energetico del Paese. In pratica, al momento, nella maggior parte del suo territorio, ciò non è fattibile per ragioni tecniche ed economiche.

Nel mondo, l'uso dell'energia geotermica è più spesso associato all'Islanda, un paese situato all'estremità settentrionale della dorsale medio-atlantica, in una zona tettonica e vulcanica estremamente attiva. Probabilmente tutti ricordano la potente eruzione del vulcano Eyyafyatlayokudl ( Eyjafjallajokull) nell'anno 2010.

È grazie a questa specificità geologica che l'Islanda possiede enormi riserve di energia geotermica, comprese le sorgenti termali che affiorano sulla superficie della Terra e sgorgano persino sotto forma di geyser.

In Islanda, oltre il 60% di tutta l'energia consumata viene attualmente prelevata dalla Terra. Anche grazie alla geotermia, vengono forniti il ​​90% del riscaldamento e il 30% della produzione di energia elettrica. Aggiungiamo che il resto dell'elettricità nel Paese è prodotta da centrali idroelettriche, cioè anche utilizzando una fonte di energia rinnovabile, grazie alla quale l'Islanda si presenta come una sorta di standard ambientale globale.

L '"addomesticamento" dell'energia geotermica nel 20° secolo ha aiutato l'Islanda in modo significativo dal punto di vista economico. Fino alla metà del secolo scorso era un Paese molto povero, oggi è al primo posto al mondo per capacità installata e produzione di energia geotermica pro capite, ed è tra i primi dieci per capacità installata assoluta di geotermia impianti. Tuttavia, la sua popolazione è di sole 300mila persone, il che semplifica il compito di passare a fonti energetiche rispettose dell'ambiente: il fabbisogno è generalmente ridotto.

Oltre all'Islanda, un'elevata quota di energia geotermica nel bilancio totale della produzione di energia elettrica è fornita in Nuova Zelanda e negli Stati insulari del Sud-Est asiatico (Filippine e Indonesia), nei Paesi dell'America Centrale e dell'Africa Orientale, il cui territorio è caratterizzato anche da un'elevata attività sismica e vulcanica. Per questi paesi, al loro attuale livello di sviluppo e fabbisogno, l'energia geotermica fornisce un contributo significativo allo sviluppo socio-economico.

L'uso dell'energia geotermica ha una storia molto lunga. Uno dei primi esempi conosciuti è l'Italia, località in provincia di Toscana, oggi denominata Larderello, dove già all'inizio dell'ottocento le calde acque termali locali, sgorganti naturalmente o estratte da pozzi poco profondi, venivano utilizzate per produrre energia scopi.

L'acqua di sorgente sotterranea, ricca di boro, veniva qui utilizzata per ottenere acido borico. Inizialmente questo acido si otteneva per evaporazione in caldaie di ferro, e come combustibile si prelevava legna da ardere ordinaria dai boschi vicini, ma nel 1827 Francesco Larderel realizzò un sistema che lavorava sul calore delle acque stesse. Allo stesso tempo, l'energia del vapore acqueo naturale iniziò ad essere utilizzata per il funzionamento di impianti di perforazione e, all'inizio del XX secolo, per il riscaldamento di case e serre locali. Nella stessa località, a Larderello, nel 1904, il vapore acqueo termale divenne fonte di energia per la generazione di energia elettrica.

L'esempio dell'Italia di fine Ottocento e inizio Novecento è stato seguito da alcuni altri paesi. Ad esempio, nel 1892 le acque termali furono utilizzate per il riscaldamento locale per la prima volta negli Stati Uniti (Boise, Idaho), nel 1919 - in Giappone, nel 1928 - in Islanda.

Negli Stati Uniti, la prima centrale idrotermale è apparsa in California all'inizio degli anni '30, in Nuova Zelanda - nel 1958, in Messico - nel 1959, in Russia (il primo GeoPP binario al mondo) - nel 1965.

Un vecchio principio da una nuova fonte

La produzione di elettricità richiede una temperatura della sorgente dell'acqua superiore a quella del riscaldamento, superiore a 150°C. Il principio di funzionamento di una centrale geotermica (GeoES) è simile al principio di funzionamento di una centrale termica convenzionale (TPP). In effetti, una centrale geotermica è un tipo di centrale termica.

Nelle centrali termoelettriche, di norma, carbone, gas o olio combustibile fungono da fonte primaria di energia e il vapore acqueo funge da fluido di lavoro. Il combustibile, bruciando, riscalda l'acqua allo stato di vapore, che fa ruotare la turbina a vapore, e genera elettricità.

La differenza tra il GeoPP è che la fonte primaria di energia qui è il calore dell'interno della terra e il fluido di lavoro sotto forma di vapore entra nelle pale della turbina del generatore elettrico in forma "pronta" direttamente dal pozzo di produzione.

Esistono tre schemi principali di funzionamento di GeoPP: diretto, utilizzando vapore secco (geotermico); indiretto, a base di acqua idrotermale, e misto, o binario.

L'uso dell'uno o dell'altro schema dipende dallo stato di aggregazione e dalla temperatura del vettore energetico.

Lo schema più semplice e quindi il primo degli schemi padroneggiati è quello diretto, in cui il vapore proveniente dal pozzo viene fatto passare direttamente attraverso la turbina. Anche il primo GeoPP al mondo a Larderello nel 1904 funzionava a vapore secco.

I GeoPP con uno schema di funzionamento indiretto sono i più comuni ai nostri tempi. Usano acqua sotterranea calda, che viene pompata ad alta pressione in un evaporatore, dove parte di essa viene evaporata e il vapore risultante fa ruotare una turbina. In alcuni casi, sono necessari dispositivi e circuiti aggiuntivi per purificare l'acqua geotermica e il vapore dai composti aggressivi.

Il vapore di scarico entra nel pozzo di iniezione o viene utilizzato per il riscaldamento degli ambienti: in questo caso, il principio è lo stesso del funzionamento di un cogeneratore.

Nei GeoPP binari, l'acqua termale calda interagisce con un altro liquido che funge da fluido di lavoro con un punto di ebollizione inferiore. Entrambi i liquidi vengono fatti passare attraverso uno scambiatore di calore, dove l'acqua termale fa evaporare il liquido di lavoro, i cui vapori fanno ruotare la turbina.

Questo sistema è chiuso, il che risolve il problema delle emissioni in atmosfera. Inoltre, fluidi di lavoro con punto di ebollizione relativamente basso consentono di utilizzare acque termali poco calde come fonte primaria di energia.

Tutti e tre gli schemi utilizzano una fonte idrotermale, ma l'energia petrotermica può essere utilizzata anche per generare elettricità.

Anche lo schema elettrico in questo caso è abbastanza semplice. È necessario perforare due pozzi interconnessi: iniezione e produzione. L'acqua viene pompata nel pozzo di iniezione. In profondità si riscalda, quindi l'acqua riscaldata o il vapore formato a seguito di un forte riscaldamento viene fornito in superficie attraverso un pozzo di produzione. Inoltre, tutto dipende da come viene utilizzata l'energia petrotermica, per il riscaldamento o per la produzione di elettricità. Un ciclo chiuso è possibile con il pompaggio del vapore di scarico e dell'acqua nel pozzo di iniezione o un altro metodo di smaltimento.

Lo svantaggio di un tale sistema è evidente: per ottenere una temperatura sufficientemente elevata del fluido di lavoro, è necessario perforare pozzi a grande profondità. E questo è un costo serio e il rischio di una significativa perdita di calore quando il fluido sale. Pertanto, i sistemi petrotermici sono ancora meno comuni di quelli idrotermali, sebbene il potenziale dell'energia petrotermica sia di ordini di grandezza superiore.

Attualmente, il leader nella realizzazione dei cosiddetti sistemi di circolazione petroliferi (PCS) è l'Australia. Inoltre, questa direzione dell'energia geotermica si sta sviluppando attivamente negli Stati Uniti, in Svizzera, in Gran Bretagna e in Giappone.

Regalo di Lord Kelvin

L'invenzione della pompa di calore nel 1852 da parte del fisico William Thompson (alias Lord Kelvin) fornì all'umanità una reale opportunità di utilizzare il calore di bassa qualità degli strati superiori del suolo. Il sistema a pompa di calore, o moltiplicatore di calore come lo chiamava Thompson, si basa sul processo fisico di trasferimento del calore dall'ambiente al refrigerante. Infatti utilizza lo stesso principio degli impianti petroltermici. La differenza sta nella fonte di calore, in relazione alla quale può sorgere una domanda terminologica: fino a che punto una pompa di calore può essere considerata un sistema geotermico? Il fatto è che negli strati superiori, a profondità di decine o centinaia di metri, le rocce ei fluidi in esse contenuti sono riscaldati non dal calore profondo della terra, ma dal sole. Pertanto, è il sole in questo caso la fonte primaria di calore, sebbene sia prelevato, come nei sistemi geotermici, dalla terra.

Il funzionamento di una pompa di calore si basa sul ritardo nel riscaldamento e raffreddamento del suolo rispetto all'atmosfera, per cui si forma un gradiente di temperatura tra la superficie e gli strati più profondi, che trattengono il calore anche in inverno, simile a come avviene nei bacini idrici. Lo scopo principale delle pompe di calore è il riscaldamento degli ambienti. Si tratta infatti di un “frigorifero al contrario”. Sia la pompa di calore che il frigorifero interagiscono con tre componenti: l'ambiente interno (nel primo caso - un ambiente riscaldato, nel secondo - una camera frigo refrigerata), l'ambiente esterno - una fonte di energia e un refrigerante (refrigerante), che è anche un liquido di raffreddamento che fornisce trasferimento di calore o freddo.

Una sostanza con un basso punto di ebollizione agisce come un refrigerante, che le consente di prelevare calore da una fonte che ha anche una temperatura relativamente bassa.

Nel frigorifero, il refrigerante liquido entra nell'evaporatore attraverso una valvola a farfalla (regolatore di pressione), dove, a causa di una forte diminuzione della pressione, il liquido evapora. L'evaporazione è un processo endotermico che richiede l'assorbimento di calore dall'esterno. Di conseguenza, il calore viene prelevato dalle pareti interne dell'evaporatore, il che fornisce un effetto di raffreddamento nella camera del frigorifero. Più lontano dall'evaporatore, il refrigerante viene aspirato nel compressore, dove ritorna allo stato liquido di aggregazione. Questo è il processo inverso, che porta al rilascio del calore prelevato nell'ambiente esterno. Di norma, viene gettato nella stanza e la parete posteriore del frigorifero è relativamente calda.

La pompa di calore funziona quasi allo stesso modo, con la differenza che il calore viene prelevato dall'ambiente esterno ed entra nell'ambiente interno attraverso l'evaporatore, il sistema di riscaldamento ambiente.

In una vera pompa di calore, l'acqua viene riscaldata, passando attraverso un circuito esterno interrato o un serbatoio, quindi entra nell'evaporatore.

Nell'evaporatore, il calore viene trasferito ad un circuito interno riempito con un refrigerante a basso punto di ebollizione, il quale, passando attraverso l'evaporatore, passa dallo stato liquido allo stato gassoso, assorbendo calore.

Inoltre, il refrigerante gassoso entra nel compressore, dove viene compresso ad alta pressione e temperatura, ed entra nel condensatore, dove avviene lo scambio di calore tra il gas caldo e il vettore di calore dell'impianto di riscaldamento.

Il compressore necessita di energia elettrica per funzionare, tuttavia il rapporto di trasformazione (rapporto tra energia consumata e prodotta) nei moderni sistemi è sufficientemente alto da garantirne l'efficienza.

Attualmente, le pompe di calore sono ampiamente utilizzate per il riscaldamento degli ambienti, principalmente nei paesi economicamente sviluppati.

Energia eco-corretta

L'energia geotermica è considerata rispettosa dell'ambiente, il che è generalmente vero. Innanzitutto utilizza una risorsa rinnovabile e praticamente inesauribile. L'energia geotermica non richiede grandi aree, a differenza delle grandi centrali idroelettriche o dei parchi eolici, e non inquina l'atmosfera, a differenza dell'energia da idrocarburi. In media, GeoPP occupa 400 m 2 in termini di 1 GW di elettricità generata. La stessa cifra per una centrale termoelettrica a carbone, ad esempio, è di 3600 m 2. I vantaggi ambientali dei GeoPP includono anche il basso consumo di acqua: 20 litri di acqua dolce per 1 kW, mentre le centrali termoelettriche e le centrali nucleari richiedono circa 1000 litri. Si noti che questi sono gli indicatori ambientali del GeoPP "medio".

Ma ci sono ancora effetti collaterali negativi. Tra questi si distinguono più spesso il rumore, l'inquinamento termico dell'atmosfera e l'inquinamento chimico dell'acqua e del suolo, nonché la formazione di rifiuti solidi.

La principale fonte di inquinamento chimico dell'ambiente è l'acqua termale stessa (ad alta temperatura e salinità), che spesso contiene grandi quantità di composti tossici, e pertanto si pone il problema dello smaltimento delle acque reflue e delle sostanze pericolose.

Gli effetti negativi dell'energia geotermica possono essere rintracciati in più fasi, a cominciare dalla perforazione dei pozzi. Qui sorgono gli stessi pericoli della perforazione di un pozzo: distruzione del suolo e della copertura vegetale, inquinamento del suolo e delle acque sotterranee.

Nella fase di funzionamento del GeoPP persistono i problemi di inquinamento ambientale. I fluidi termici - acqua e vapore - contengono tipicamente anidride carbonica (CO 2), solfuro di zolfo (H 2 S), ammoniaca (NH 3), metano (CH 4), sale comune (NaCl), boro (B), arsenico (As ), mercurio (Hg). Quando vengono rilasciati nell'ambiente, diventano fonti di inquinamento. Inoltre, un ambiente chimico aggressivo può causare danni da corrosione alle strutture GeoTPP.

Allo stesso tempo, le emissioni inquinanti dei GeoPP sono in media inferiori rispetto ai TPP. Ad esempio, le emissioni di anidride carbonica per kilowattora di elettricità generata sono fino a 380 g nei GeoPP, 1042 g nelle centrali termoelettriche a carbone, 906 g nell'olio combustibile e 453 g nelle centrali termoelettriche a gas.

Sorge la domanda: cosa fare con le acque reflue? A bassa salinità, dopo il raffreddamento, può essere scaricato nelle acque superficiali. L'altro modo è ripomparlo nella falda acquifera attraverso un pozzo di iniezione, che è attualmente la pratica preferita e predominante.

L'estrazione di acqua termale dalle falde acquifere (oltre al pompaggio di acqua ordinaria) può causare cedimenti e movimenti del suolo, altre deformazioni degli strati geologici e micro-terremoti. La probabilità di tali fenomeni è generalmente bassa, sebbene siano stati registrati casi individuali (ad esempio, al GeoPP di Staufen im Breisgau in Germania).

Va sottolineato che la maggior parte dei GeoPP si trova in aree relativamente scarsamente popolate e nei paesi del terzo mondo, dove i requisiti ambientali sono meno severi rispetto ai paesi sviluppati. Inoltre, al momento il numero di GeoPP e le loro capacità sono relativamente ridotte. Con un maggiore sviluppo dell'energia geotermica, i rischi ambientali possono aumentare e moltiplicarsi.

Quant'è l'energia della Terra?

I costi di investimento per la costruzione di sistemi geotermici variano in un intervallo molto ampio: da 200 a 5000 dollari per 1 kW di capacità installata, ovvero le opzioni più economiche sono paragonabili al costo di costruzione di una centrale termica. Dipendono, in primo luogo, dalle condizioni di presenza delle acque termali, dalla loro composizione e dal progetto dell'impianto. Perforando a grandi profondità, creando un sistema chiuso con due pozzi, la necessità di trattamento delle acque può moltiplicare il costo.

Ad esempio, gli investimenti per la creazione di un sistema di circolazione petrolifera (PTS) sono stimati in 1,6-4 mila dollari per 1 kW di capacità installata, che supera i costi di costruzione di una centrale nucleare ed è paragonabile ai costi di costruzione di vento e centrali solari.

L'ovvio vantaggio economico di GeoTPP è un vettore energetico gratuito. Per fare un confronto, nella struttura dei costi di una centrale termica o nucleare in funzione, il carburante rappresenta il 50-80% o anche di più, a seconda dei prezzi correnti dell'energia. Da qui, un altro vantaggio del sistema geotermico: i costi di esercizio sono più stabili e prevedibili, poiché non dipendono dalla congiuntura esterna dei prezzi dell'energia. In generale, i costi operativi del GeoTPP sono stimati in 2–10 centesimi (60 copechi–3 rubli) per 1 kWh di capacità generata.

La seconda voce di spesa più grande (e molto significativa) dopo il vettore energetico è, di norma, lo stipendio del personale di stazione, che può variare notevolmente a seconda del paese e della regione.

In media, il costo di 1 kWh di energia geotermica è paragonabile a quello delle centrali termiche (in condizioni russe - circa 1 rublo / 1 kWh) e dieci volte superiore al costo della generazione di elettricità nelle centrali idroelettriche (5-10 copechi / 1 kWh).

Parte del motivo dell'alto costo è che, a differenza delle centrali termiche e idrauliche, GeoTPP ha una capacità relativamente piccola. Inoltre, è necessario confrontare i sistemi situati nella stessa regione e in condizioni simili. Quindi, ad esempio, in Kamchatka, secondo gli esperti, 1 kWh di elettricità geotermica costa 2-3 volte meno dell'elettricità prodotta nelle centrali termiche locali.

Gli indicatori di efficienza economica del sistema geotermico dipendono, ad esempio, dalla necessità di smaltire le acque reflue e con quali modalità, se è possibile l'uso combinato della risorsa. Pertanto, gli elementi chimici ei composti estratti dall'acqua termale possono fornire un reddito aggiuntivo. Ricordiamo l'esempio di Larderello: lì era primaria la produzione chimica, e l'uso della geotermia inizialmente era di natura ausiliaria.

L'energia geotermica in avanti

L'energia geotermica si sta sviluppando in modo leggermente diverso rispetto a quella eolica e solare. Allo stato attuale, dipende in gran parte dalla natura della risorsa stessa, che differisce notevolmente da regione a regione, e le concentrazioni più elevate sono legate a zone ristrette di anomalie geotermiche, solitamente associate ad aree di faglie tettoniche e vulcanismo.

Inoltre, la geotermia è tecnologicamente meno capiente rispetto all'eolico e ancor di più al solare: gli impianti delle centrali geotermiche sono abbastanza semplici.

Nella struttura complessiva della produzione mondiale di elettricità, la componente geotermica rappresenta meno dell'1%, ma in alcune regioni e paesi la sua quota raggiunge il 25-30%. A causa del legame con le condizioni geologiche, una parte significativa della capacità di energia geotermica è concentrata nei paesi del terzo mondo, dove ci sono tre cluster di maggior sviluppo del settore: le isole del Sud-est asiatico, dell'America centrale e dell'Africa orientale. Le prime due regioni fanno parte della "Fire Belt of the Earth" del Pacifico, la terza è legata alla Rift dell'Africa orientale. Con la massima probabilità, l'energia geotermica continuerà a svilupparsi in queste cinture. Una prospettiva più lontana è lo sviluppo dell'energia petrotermica, utilizzando il calore degli strati terrestri che si trovano a una profondità di diversi chilometri. Questa è una risorsa quasi onnipresente, ma la sua estrazione richiede costi elevati, quindi l'energia petrotermica si sta sviluppando principalmente nei paesi più potenti dal punto di vista economico e tecnologico.

In generale, data l'ubiquità delle risorse geotermiche e un livello accettabile di sicurezza ambientale, vi è motivo di ritenere che l'energia geotermica abbia buone prospettive di sviluppo. Soprattutto con la crescente minaccia di una carenza di vettori energetici tradizionali e l'aumento dei prezzi per loro.

Dalla Kamchatka al Caucaso

In Russia, lo sviluppo della geotermia ha una storia abbastanza lunga e in diverse posizioni siamo tra i leader mondiali, sebbene la quota della geotermia nel bilancio energetico complessivo di un grande Paese sia ancora trascurabile.

I pionieri e i centri per lo sviluppo dell'energia geotermica in Russia erano due regioni: la Kamchatka e il Caucaso settentrionale, e se nel primo caso parliamo principalmente dell'industria dell'energia elettrica, nel secondo - dell'uso dell'energia termica di acqua termale.

Nel Caucaso settentrionale - nel territorio di Krasnodar, Cecenia, Daghestan - il calore delle acque termali veniva utilizzato per scopi energetici già prima della Grande Guerra Patriottica. Negli anni '80-'90, lo sviluppo dell'energia geotermica nella regione, per ovvi motivi, si è bloccato e non si è ancora ripreso dallo stato di stagnazione. Tuttavia, l'approvvigionamento idrico geotermico nel Caucaso settentrionale fornisce calore a circa 500 mila persone e, ad esempio, la città di Labinsk nel territorio di Krasnodar con una popolazione di 60 mila persone è completamente riscaldata dalle acque geotermiche.

In Kamchatka, la storia dell'energia geotermica è associata principalmente alla costruzione del GeoPP. La prima, ancora funzionante con le stazioni Pauzhetskaya e Paratunskaya, fu costruita nel 1965-1967, mentre la Paratunskaya GeoPP con una capacità di 600 kW divenne la prima stazione al mondo con un ciclo binario. Fu lo sviluppo degli scienziati sovietici S. S. Kutateladze e A. M. Rosenfeld dell'Istituto di fisica termica della filiale siberiana dell'Accademia delle scienze russa, che ricevettero nel 1965 un certificato di copyright per l'estrazione di elettricità dall'acqua con una temperatura di 70 ° C. Questa tecnologia divenne successivamente il prototipo di oltre 400 GeoPP binari nel mondo.

La capacità del Pauzhetskaya GeoPP, commissionato nel 1966, era inizialmente di 5 MW e successivamente aumentata a 12 MW. Attualmente la stazione è in costruzione di un blocco binario, che aumenterà la sua capacità di altri 2,5 MW.

Lo sviluppo dell'energia geotermica in URSS e in Russia è stato ostacolato dalla disponibilità di fonti energetiche tradizionali: petrolio, gas, carbone, ma non si è mai fermato. I più grandi impianti geotermici al momento sono il Verkhne-Mutnovskaya GeoPP con una capacità totale di 12 MW di unità di potenza, messo in servizio nel 1999, e il Mutnovskaya GeoPP con una capacità di 50 MW (2002).

Mutnovskaya e Verkhne-Mutnovskaya GeoPP sono oggetti unici non solo per la Russia, ma anche su scala globale. Le stazioni si trovano ai piedi del vulcano Mutnovsky, a un'altitudine di 800 metri sul livello del mare, e operano in condizioni climatiche estreme, dove è inverno per 9-10 mesi all'anno. L'attrezzatura dei Mutnovsky GeoPP, attualmente una delle più moderne al mondo, è stata completamente creata presso le imprese nazionali di ingegneria energetica.

Attualmente, la quota delle stazioni Mutnovsky nella struttura complessiva del consumo energetico dell'hub energetico della Kamchatka centrale è del 40%. Un aumento della capacità è previsto nei prossimi anni.

Separatamente, si dovrebbe parlare degli sviluppi petroliferi russi. Non disponiamo ancora di PDS di grandi dimensioni, tuttavia esistono tecnologie avanzate per la perforazione a grandi profondità (circa 10 km), che non hanno analoghi nel mondo. Il loro ulteriore sviluppo consentirà di ridurre drasticamente i costi di realizzazione degli impianti petroliferi. Gli sviluppatori di queste tecnologie e progetti sono N. A. Gnatus, M. D. Khutorskoy (Istituto geologico dell'Accademia delle scienze russa), A. S. Nekrasov (Istituto di previsioni economiche dell'Accademia delle scienze russa) e specialisti dell'impianto di turbina Kaluga. Attualmente, il progetto del sistema di circolazione petrolifera in Russia è in fase pilota.

Ci sono prospettive per la geotermia in Russia, anche se relativamente distanti: al momento il potenziale è abbastanza ampio e la posizione dell'energia tradizionale è forte. Allo stesso tempo, in alcune regioni remote del Paese, l'uso dell'energia geotermica è economicamente redditizio ed è richiesto anche adesso. Si tratta di territori ad alto potenziale geoenergetico (Chukotka, Kamchatka, Kuriles - la parte russa del Pacifico "Fire Belt of the Earth", le montagne della Siberia meridionale e del Caucaso) e allo stesso tempo remoti e tagliati fuori dall'energia centralizzata la fornitura.

È probabile che nei prossimi decenni l'energia geotermica nel nostro Paese si svilupperà proprio in tali regioni.

Uno dei metodi migliori e razionali nella costruzione di serre capitali è una serra termos sotterranea.
L'uso di questo fatto della costanza della temperatura terrestre in profondità nella costruzione di una serra offre enormi risparmi sui costi di riscaldamento nella stagione fredda, facilita la cura, rende il microclima più stabile.
Una tale serra funziona nelle gelate più forti, ti consente di produrre ortaggi, coltivare fiori tutto l'anno.
Una serra interrata adeguatamente attrezzata consente di coltivare, tra le altre cose, colture meridionali amanti del caldo. Non ci sono praticamente restrizioni. Agrumi e persino ananas possono stare benissimo in una serra.
Ma affinché tutto funzioni correttamente nella pratica, è indispensabile seguire le tecnologie collaudate con cui sono state costruite le serre sotterranee. Dopotutto, questa idea non è nuova, anche sotto lo zar in Russia, le serre interrate producevano raccolti di ananas, che mercanti intraprendenti esportavano in Europa per la vendita.
Per qualche motivo, la costruzione di tali serre non ha trovato ampia distribuzione nel nostro paese, in generale, è semplicemente dimenticata, sebbene il design sia l'ideale proprio per il nostro clima.
Probabilmente, la necessità di scavare una fossa profonda e versare le fondamenta ha avuto un ruolo qui. La costruzione di una serra interrata è piuttosto costosa, è lontana da una serra ricoperta di polietilene, ma il ritorno sulla serra è molto maggiore.
Dall'approfondimento nel terreno non si perde l'illuminazione interna complessiva, questo può sembrare strano, ma in alcuni casi la saturazione della luce è addirittura superiore a quella delle serre classiche.
È impossibile non menzionare la forza e l'affidabilità della struttura, è incomparabilmente più forte del solito, è più facile tollerare le raffiche di vento degli uragani, resiste bene alla grandine e i blocchi di neve non diventeranno un ostacolo.

1. Pozzo

La creazione di una serra inizia con lo scavo di una fossa di fondazione. Per utilizzare il calore della terra per riscaldare il volume interno, la serra deve essere sufficientemente approfondita. Più in profondità la terra diventa più calda.
La temperatura quasi non cambia durante l'anno a una distanza di 2-2,5 metri dalla superficie. A 1 m di profondità la temperatura del suolo oscilla di più, ma in inverno il suo valore rimane positivo, solitamente nella zona centrale la temperatura è di 4-10 C, a seconda della stagione.
Una serra interrata viene costruita in una stagione. Cioè, in inverno sarà già in grado di funzionare e generare reddito. La costruzione non è economica, ma usando l'ingegno, materiali di compromesso, è possibile risparmiare letteralmente un ordine di grandezza facendo una sorta di opzione economica per una serra, a partire da una fossa di fondazione.
Ad esempio, fai a meno del coinvolgimento delle attrezzature da costruzione. Sebbene la parte più dispendiosa del lavoro - scavare una fossa - sia, ovviamente, meglio affidarla a un escavatore. La rimozione manuale di un tale volume di terreno è difficile e richiede tempo.
La profondità della fossa di scavo dovrebbe essere di almeno due metri. A una tale profondità, la terra inizierà a condividere il suo calore e a funzionare come una specie di thermos. Se la profondità è inferiore, in linea di principio l'idea funzionerà, ma in modo notevolmente meno efficiente. Pertanto, si consiglia di non risparmiare sforzi e denaro per approfondire la futura serra.
Le serre sotterranee possono essere di qualsiasi lunghezza, ma è meglio mantenere la larghezza entro 5 metri, se la larghezza è maggiore, le caratteristiche qualitative per il riscaldamento e la riflessione della luce si deteriorano.
Ai lati dell'orizzonte, le serre sotterranee devono essere orientate, come le normali serre e serre, da est a ovest, cioè in modo che uno dei lati sia rivolto a sud. In questa posizione, gli impianti riceveranno la massima quantità di energia solare.

2. Pareti e tetto

Lungo il perimetro della fossa viene versata una fondazione o vengono disposti blocchi. La fondazione funge da base per le pareti e il telaio della struttura. Le pareti sono realizzate al meglio con materiali con buone caratteristiche di isolamento termico, i termoblocchi sono un'opzione eccellente.

Il telaio del tetto è spesso realizzato in legno, da barre impregnate di agenti antisettici. La struttura del tetto è generalmente a due falde dritte. Una trave di colmo è fissata al centro della struttura; per questo, i supporti centrali sono installati sul pavimento per l'intera lunghezza della serra.

La trave di colmo e le pareti sono collegate da una fila di travi. Il telaio può essere realizzato senza supporti alti. Sono sostituiti con quelli piccoli, che sono posizionati su travi trasversali che collegano i lati opposti della serra: questo design rende lo spazio interno più libero.

Come copertura del tetto, è meglio prendere il policarbonato cellulare, un materiale moderno popolare. La distanza tra le travi durante la costruzione viene adattata alla larghezza delle lastre di policarbonato. È conveniente lavorare con il materiale. Il rivestimento si ottiene con un numero ridotto di giunti, poiché le lastre vengono prodotte in lunghezze di 12 m.

Sono fissati al telaio con viti autofilettanti, è meglio sceglierli con un cappuccio a forma di rondella. Per evitare la rottura del foglio, è necessario praticare un foro del diametro appropriato sotto ogni vite autofilettante con un trapano. Con un cacciavite o un trapano tradizionale con punta a croce, il lavoro di smaltatura si muove molto rapidamente. Per evitare fughe, è bene posare preventivamente le travi lungo il piano con un sigillante in gomma morbida o altro materiale idoneo e solo successivamente avvitare le lastre. Il picco del tetto lungo il colmo deve essere posato con un isolamento morbido e pressato con una specie di angolo: plastica, stagno o altro materiale adatto.

Per un buon isolamento termico, il tetto è talvolta realizzato con un doppio strato di policarbonato. Anche se la trasparenza è ridotta di circa il 10%, questo è coperto dalle ottime prestazioni di isolamento termico. Va notato che la neve su un tale tetto non si scioglie. Pertanto, la pendenza deve avere un angolo sufficiente, almeno 30 gradi, in modo che la neve non si accumuli sul tetto. Inoltre, è installato un vibratore elettrico per l'agitazione, salverà il tetto nel caso in cui la neve si accumuli ancora.

I doppi vetri vengono eseguiti in due modi:

Tra due fogli viene inserito un profilo speciale, i fogli vengono fissati al telaio dall'alto;

Innanzitutto, lo strato inferiore di vetri è fissato al telaio dall'interno, sul lato inferiore delle travi. Il tetto è coperto con il secondo strato, come al solito, dall'alto.

Dopo aver completato il lavoro, è consigliabile incollare tutte le articolazioni con del nastro adesivo. Il tetto finito sembra molto impressionante: senza giunti inutili, liscio, senza parti prominenti.

3. Riscaldamento e riscaldamento

L'isolamento delle pareti viene eseguito come segue. Per prima cosa devi rivestire accuratamente tutte le giunture e le giunture del muro con una soluzione, qui puoi anche usare la schiuma di montaggio. Il lato interno delle pareti è ricoperto da un film termoisolante.

Nelle zone fredde del paese, è bene utilizzare una pellicola spessa, coprendo il muro con un doppio strato.

La temperatura in profondità nel terreno della serra è superiore allo zero, ma più fredda della temperatura dell'aria richiesta per la crescita delle piante. Lo strato superiore è riscaldato dai raggi solari e dall'aria della serra, ma il terreno porta via il calore, quindi la tecnologia dei "pavimenti caldi" è spesso utilizzata nelle serre sotterranee: l'elemento riscaldante - un cavo elettrico - è protetto da una griglia metallica o colato con cemento.

Nel secondo caso, il terreno per i letti viene versato sul cemento o le verdure vengono coltivate in vasi e vasi di fiori.

L'uso del riscaldamento a pavimento può essere sufficiente per riscaldare l'intera serra se c'è abbastanza energia. Ma è più efficiente e più comodo per gli impianti utilizzare il riscaldamento combinato: riscaldamento a pavimento + riscaldamento ad aria. Per una buona crescita, hanno bisogno di una temperatura dell'aria di 25-35 gradi a una temperatura terrestre di circa 25 C.

CONCLUSIONE

Naturalmente, la costruzione di una serra interrata costerà di più e sarà richiesto uno sforzo maggiore rispetto alla costruzione di una serra simile con un design convenzionale. Ma i fondi investiti nella serra-thermos sono giustificati nel tempo.

In primo luogo, consente di risparmiare energia sul riscaldamento. Indipendentemente dal modo in cui una normale serra a terra viene riscaldata in inverno, sarà sempre più costosa e più difficile di un metodo di riscaldamento simile in una serra sotterranea. In secondo luogo, risparmiare sull'illuminazione. Foglio di isolamento termico delle pareti, riflettendo la luce, raddoppia l'illuminazione. Il microclima in una serra profonda in inverno sarà più favorevole per le piante, il che influenzerà sicuramente la resa. Le piantine attecchiranno facilmente, le piante tenere si sentiranno benissimo. Una tale serra garantisce una resa stabile e alta di qualsiasi pianta durante tutto l'anno.

Descrizione:

In contrasto con l'uso "diretto" del calore geotermico ad alto potenziale (risorse idrotermali), l'uso del suolo degli strati superficiali della Terra come fonte di energia termica di bassa qualità per i sistemi di approvvigionamento di calore a pompa di calore geotermica (GHPS) è possibile quasi ovunque. Attualmente, questa è una delle aree in via di sviluppo più dinamico per l'utilizzo di fonti di energia rinnovabile non tradizionali nel mondo.

Sistemi a pompa di calore geotermici di fornitura di calore ed efficienza della loro applicazione nelle condizioni climatiche della Russia

GP Vasiliev, direttore scientifico di JSC "INSOLAR-INVEST"

In contrasto con l'uso "diretto" del calore geotermico ad alto potenziale (risorse idrotermali), l'uso del suolo degli strati superficiali della Terra come fonte di energia termica di bassa qualità per i sistemi di approvvigionamento di calore a pompa di calore geotermica (GHPS) è possibile quasi ovunque. Attualmente, questa è una delle aree in via di sviluppo più dinamico per l'utilizzo di fonti di energia rinnovabile non tradizionali nel mondo.

Il suolo degli strati superficiali della Terra è in realtà un accumulatore di calore di potenza illimitata. Il regime termico del suolo si forma sotto l'influenza di due fattori principali: la radiazione solare incidente sulla superficie e il flusso di calore radiogeno dall'interno della terra. Le variazioni stagionali e giornaliere dell'intensità della radiazione solare e della temperatura esterna provocano fluttuazioni della temperatura degli strati superiori del suolo. La profondità di penetrazione delle fluttuazioni giornaliere della temperatura dell'aria esterna e l'intensità della radiazione solare incidente, a seconda delle specifiche condizioni pedoclimatiche, varia da alcune decine di centimetri a un metro e mezzo. La profondità di penetrazione delle fluttuazioni stagionali della temperatura dell'aria esterna e l'intensità della radiazione solare incidente non supera, di regola, i 15-20 m.

Il regime termico degli strati di suolo situati al di sotto di questa profondità ("zona neutra") si forma sotto l'influenza dell'energia termica proveniente dalle viscere della Terra e praticamente non dipende dalle variazioni stagionali, e ancor più giornaliere, dei parametri climatici esterni ( Fig. 1). All'aumentare della profondità aumenta anche la temperatura del suolo in funzione del gradiente geotermico (circa 3 °C ogni 100 m). L'entità del flusso di calore radiogeno proveniente dalle viscere della terra varia per le diverse località. Di norma, questo valore è 0,05–0,12 W / m 2.

Immagine 1.

Durante il funzionamento della centrale a turbina a gas, la massa del suolo situata all'interno della zona di influenza termica del registro delle tubazioni dello scambiatore di calore del suolo del sistema di raccolta del calore del suolo di bassa qualità (sistema di raccolta del calore), a causa dei cambiamenti stagionali nei parametri del clima esterno, nonché sotto l'influenza dei carichi operativi sul sistema di raccolta del calore, di norma, è soggetto a ripetuti congelamenti e sbrinamenti. In questo caso, naturalmente, si ha una variazione dello stato di aggregazione dell'umidità contenuta nei pori del terreno e, nel caso generale, sia in fase liquida che in fase solida e gassosa contemporaneamente. Allo stesso tempo, nei sistemi capillari-porosi, che è la massa del suolo del sistema di raccolta del calore, la presenza di umidità nello spazio dei pori ha un effetto notevole sul processo di propagazione del calore. La corretta contabilizzazione di questa influenza oggi è associata a difficoltà significative, che sono principalmente associate alla mancanza di idee chiare sulla natura della distribuzione delle fasi solide, liquide e gassose dell'umidità in una particolare struttura del sistema. Se c'è un gradiente di temperatura nello spessore della massa del suolo, le molecole di vapore acqueo si spostano in luoghi con un potenziale di temperatura inferiore, ma allo stesso tempo, sotto l'azione delle forze gravitazionali, si verifica un flusso di umidità diretto in modo opposto nella fase liquida . Inoltre, il regime di temperatura degli strati superiori del suolo è influenzato dall'umidità delle precipitazioni atmosferiche e dalle acque sotterranee.

Tra i tratti caratteristici del regime termico dei sistemi di captazione del calore del suolo come oggetto di progettazione dovrebbe rientrare anche la cosiddetta "incertezza informativa" dei modelli matematici che descrivono tali processi, ovvero, in altre parole, la mancanza di informazioni attendibili sugli effetti sulla sistema ambientale (atmosfera e massa del suolo situati al di fuori della zona di influenza termica dello scambiatore di calore a terra del sistema di captazione del calore) e l'estrema complessità della loro approssimazione. Infatti, se l'approssimazione degli impatti sul sistema climatico esterno, seppur complicata, può ancora essere attuata a determinati costi di “tempo informatico” e l'utilizzo di modelli esistenti (ad esempio un “anno climatico tipico”), allora il problema di tenere conto dell'impatto sul sistema atmosferico negli influssi del modello (rugiada, nebbia, pioggia, neve, ecc.), nonché dell'approssimazione dell'effetto termico sulla massa del suolo del sistema di captazione del calore del sottostante e circostante strati di suolo, è oggi praticamente irrisolvibile e potrebbe essere oggetto di studi separati. Quindi, ad esempio, scarsa conoscenza dei processi di formazione dei flussi di filtrazione delle acque sotterranee, del loro regime di velocità, nonché dell'impossibilità di ottenere informazioni affidabili sul regime di calore e umidità degli strati di suolo situati al di sotto della zona di influenza termica di un calore del suolo scambiatore, complica notevolmente il compito di costruire un corretto modello matematico del regime termico di un sistema di captazione del calore a basso potenziale.

Per superare le difficoltà descritte che sorgono durante la progettazione di una centrale elettrica con turbina a gas, il metodo sviluppato e testato in pratica per la modellazione matematica del regime termico dei sistemi di raccolta del calore del suolo e il metodo per tenere conto delle transizioni di fase dell'umidità nello spazio dei pori di il massiccio del suolo dei sistemi di raccolta del calore durante la progettazione di centrali elettriche con turbina a gas può essere raccomandato.

L'essenza del metodo è considerare, nella costruzione di un modello matematico, la differenza tra due problemi: il problema “di base” che descrive il regime termico del suolo nel suo stato naturale (senza l'influenza dello scambiatore di calore del suolo sistema di raccolta), e il problema da risolvere che descrive il regime termico della massa del suolo con dissipatori di calore (sorgenti). Di conseguenza, il metodo consente di ottenere una soluzione per qualche nuova funzione, che è funzione dell'influenza dei dissipatori di calore sul regime termico naturale del suolo ed è pari alla differenza di temperatura tra la massa del suolo nella sua naturale stato e la massa del suolo con pozzi (fonti di calore) - con lo scambiatore di calore a terra del sistema di raccolta del calore. L'uso di questo metodo nella costruzione di modelli matematici del regime termico dei sistemi di raccolta del calore del suolo a basso potenziale ha consentito non solo di aggirare le difficoltà associate all'approssimazione delle influenze esterne sul sistema di raccolta del calore, ma anche di utilizzarlo nel modella le informazioni ottenute sperimentalmente dalle stazioni meteorologiche sul regime termico naturale del suolo. Ciò consente di prendere in parte in considerazione l'intero complesso di fattori (quali la presenza delle acque sotterranee, la sua velocità e i regimi termici, la struttura e la disposizione degli strati del suolo, il fondo “termico” della Terra, le precipitazioni atmosferiche, le trasformazioni di fase di umidità nello spazio dei pori e molto altro), che influiscono in modo più significativo sulla formazione del regime termico del sistema di raccolta del calore e il cui conto congiunto in una formulazione rigorosa del problema è praticamente impossibile.

Il metodo per tenere conto delle transizioni di fase dell'umidità nello spazio dei pori di una massa di suolo durante la progettazione di una centrale elettrica con turbina a gas si basa su un nuovo concetto di conducibilità termica "equivalente" del suolo, che è determinata sostituendo il problema del calore regime di un cilindro del terreno ghiacciato attorno ai tubi di uno scambiatore di calore del terreno con un problema quasi stazionario “equivalente” con un campo di temperatura chiuso e condizioni al contorno identiche, ma con una conducibilità termica “equivalente” diversa.

Il compito più importante da risolvere nella progettazione dei sistemi di approvvigionamento di calore geotermico per gli edifici è una valutazione dettagliata delle capacità energetiche del clima dell'area di costruzione e, su questa base, trarre una conclusione sull'efficacia e sulla fattibilità dell'utilizzo di una o un altro progetto di circuito del GTTS. I valori calcolati dei parametri climatici riportati negli attuali documenti normativi non forniscono una descrizione completa del clima esterno, della sua variabilità per mesi, nonché in determinati periodi dell'anno - la stagione di riscaldamento, il periodo di surriscaldamento, ecc. Pertanto, al momento di decidere la temperatura potenziale del calore geotermico, valutare la possibilità delle sue combinazioni con altre fonti di calore naturali a basso potenziale, valutare il loro livello di temperatura (sorgenti) nel ciclo annuale, è necessario coinvolgere dati climatici più completi , dato, ad esempio, nel Manuale sul clima dell'URSS (L.: Gidrometioizdat. Issue 1–34).

Tra tali informazioni sul clima, nel nostro caso, vanno evidenziati, in primo luogo:

– dati sulla temperatura media mensile del suolo a diverse profondità;

– dati sull'arrivo della radiazione solare su superfici diversamente orientate.

In tavola. Le tabelle 1–5 mostrano i dati sulle temperature medie mensili del suolo a varie profondità per alcune città russe. In tavola. La tabella 1 mostra le temperature medie mensili del suolo per 23 città della Federazione Russa a una profondità di 1,6 m, che sembra essere la più razionale in termini di potenziale termico del suolo e possibilità di meccanizzazione della produzione di opere sulla posa di scambiatori di calore orizzontali del suolo.

Tabella 1 Temperature medie del suolo per mesi a una profondità di 1,6 m per alcune città russe

Città io II III IV V VI VII VIII IX X XI XII Arkhangelsk 4,0 3,5 3,1 2,7 2,5 3,0 4,5 6,0 7,1 7,0 6,1 4,9 Astrachan 7,5 6,1 5,9 7,3 11 14,6 17,4 19,1 19,1 16,7 13,6 10,2 Barnaul 2,6 1,7 1,2 1,4 4,3 8,2 11,0 12,4 11,6 9,2 6,2 3,9 Bratsk 0,4 -0,2 -0,6 -0,5 -0,2 0 3,0 6,8 7,2 5,4 2,9 1,4 Vladivostok 3,7 2,0 1,2 1,0 1,5 5,3 9,1 12,4 13,8 12,7 9,7 6,4 Irkutsk -0,8 -2,8 -2,7 -1,1 -0,5 -0,2 1,7 5,0 6,7 5,6 3,2 1,2 Komsomolsk- sull'Amur 0,8 -0,4 -0,9 -0,4 0 1,9 6,7 10,5 11,3 9,0 5,5 2,7 Magadan -6,5 -8,0 -8,8 -8,7 -3,9 -2,6 -0,8 0,1 0,4 0,1 -0,2 -2,0 Mosca 3,8 3,2 2,7 3,0 6,2 9,6 12,1 13,4 12,5 10,1 7,3 5,0 Murmansk 0,7 0,3 0 -0,3 -0,3 0,2 4,0 6,7 6,6 4,2 2,7 1,0 Novosibirsk 2,1 1,2 0,6 0,5 1,3 5,0 9,1 11,3 10,9 8,8 5,8 3,6 Orenburg 4,1 2,6 1,9 2,2 4,9 8,0 10,7 12,4 12,6 11,2 8,6 6,0 Permiano 2,9 2,3 1,9 1,6 3,4 7,2 10,5 12,1 11,5 9,0 6,0 4,0 Petropavlovsk- Kamchatsky 2,6 1,9 1,5 1,1 1,2 3,4 6,7 9,1 9,6 8,3 5,6 3,8 Rostov sul Don 8,0 6,6 5,9 6,8 9,9 12,9 15,5 17,3 17,5 15,8 13,0 10,0 Salekhard 1,6 1,0 0,7 0,5 0,4 0,9 3,9 6,8 7,1 5,6 3,5 2,3 Soci 11,2 9,8 9,6 11,0 13,4 16,2 18,9 20,8 21,0 19,2 16,8 13,5 Turukhansk 0,9 0,5 0,2 0 0 0,1 1,6 6,2 6,4 4,5 2,8 1,8 Tura -0,9 -0,3 -5,2 -5,3 -3,2 -1,6 -0,7 1,2 2,0 0,7 0 -0,2 balena -6,9 -8,0 -8,6 -8,7 -6,3 -1,2 -0,4 0,1 0,2 0 -0,8 -3,7 Khabarovsk 0,3 -1,8 -2,3 -1,1 -0,4 2,5 9,5 13,3 13,5 10,9 6,7 3,0 Yakutsk -5,6 -7,4 -7,9 -7,0 -4,1 -1,8 0,3 1,5 1,1 0,1 -0,1 -2,4 Yaroslavl 2,8 2,2 1,9 1,7 3,9 7,8 10,7 12,4 11,5 9,5 6,3 3,9

Tavolo 2 Temperatura del suolo a Stavropol (suolo - chernozem)

Profondità, m io II III IV V VI VII VIII IX X XI XII 0,4 1,2 1,3 2,7 7,7 13,8 17,9 20,3 19,6 15,4 11,4 6,0 2,8 0,8 3,0 1,9 2,5 6,0 11,5 15,4 17,6 17,6 15,3 12,2 7,8 4,6 1,6 5,0 4,0 3,8 5,3 8,8 12,2 14,4 15,7 15,1 12,7 9,7 6,8 3,2 8,9 8,0 7,4 7,4 8,4 9,9 11,3 12,6 13,2 12,7 11,6 10,1

Tabella 3 Temperature del suolo a Yakutsk (terreno limoso-sabbioso con una miscela di humus, sotto - sabbia)

Profondità, m io II III IV V VI VII VIII IX X XI XII 0,2 -19,2 -19,4 -16,2 -7,9 4,3 13,4 17,5 15,5 7,0 -3,1 -10,8 -15,6 0,4 -16,8 17,4 -15,2 -8,4 2,5 11,0 15,0 13,8 6,7 -1,9 -8,0 -12,9 0,6 -14,3 -15,3 -13,7 -8,5 0,2 7,9 12,1 11,8 6,2 -0,5 -5,2 -10,3 0,8 -12,4 -14,1 -12,7 -8,4 -1,4 5,0 9,4 9,6 5,3 0 -3,4 -8,1 1,2 -8,7 -10,2 -10,2 -8,0 -3,3 0,1 4,1 5,0 2,8 0 -0,9 -4,9 1,6 -5,6 -7,4 -7,9 -7,0 -4,1 -1,8 0,3 1,5 1,1 0,1 -0,1 -2,4 2,4 -2,6 -4,4 -5,4 -5,6 -4,4 -3,0 -2,0 -1,4 -1,0 -0,9 -0,9 -1,0 3,2 -1,7 -2,6 -3,8 -4,4 -4,2 -3,4 -2,8 -2,3 -1,9 -1,8 -1,6 -1,5

Tabella 4 Temperature del suolo a Pskov (fondo, terreno argilloso, sottosuolo - argilla)

Profondità, m io II III IV V VI VII VIII IX X XI XII 0,2 -0,8 -1,1 -0,3 3,3 11,4 15,1 19 17,2 12,3 6,7 2,6 0,2 0,4 0,6 0 0 2,4 9,6 13,5 16,9 16,5 12,9 7,8 4,2 1,7 0,8 1,7 0,9 0,8 2,0 7,8 11,6 15,0 15,6 13,2 8,8 5,4 2,9 1,6 3,2 2,4 1,9 2,2 5,6 9,2 11,9 13,2 12,0 9,7 6,9 4,6

Tabella 5 Temperatura del suolo a Vladivostok (terreno marrone sassoso, sfuso)

Profondità, m io II III IV V VI VII VIII IX X XI XII 0,2 -6,1 -5,5 -1,3 2,7 9,3 14,8 18,9 21,2 18,4 11,6 3,2 -2,3 0,4 -3,7 -3,8 -1,1 1,0 7,3 12,7 16,7 19,5 17,5 12,3 5,2 0,2 0,8 -0,1 -1,4 -0,6 0 4,4 10,4 14,2 17,3 17,0 13,5 7,8 2,9 1,6 3,6 2,0 1,3 1,1 2,9 7,7 11,0 14,2 15,4 13,8 10,2 6,4 3,2 8,0 6,4 5,2 4,4 4,2 5,5 7,5 9,4 11,3 12,4 11,7 10

Le informazioni presentate nelle tabelle sull'andamento naturale delle temperature del suolo a una profondità fino a 3,2 m (ovvero nello strato di suolo "di lavoro" per una centrale a turbina a gas con scambiatore di calore orizzontale del suolo) illustrano chiaramente le possibilità di utilizzo suolo come fonte di calore a basso potenziale. L'intervallo relativamente piccolo di variazione della temperatura degli strati situati alla stessa profondità sul territorio della Russia è ovvio. Quindi, ad esempio, la temperatura minima del suolo a una profondità di 3,2 m dalla superficie nella città di Stavropol è di 7,4 °C e nella città di Yakutsk - (-4,4 °C); di conseguenza, l'intervallo di variazioni della temperatura del suolo a una data profondità è di 11,8 gradi. Questo fatto ci consente di contare sulla creazione di un'apparecchiatura a pompa di calore sufficientemente unificata adatta al funzionamento praticamente in tutta la Russia.

Come si evince dalle tabelle presentate, una caratteristica del regime termico naturale del suolo è il ritardo delle temperature minime del suolo rispetto al momento di arrivo delle temperature minime dell'aria esterna. Le temperature minime dell'aria esterna si osservano ovunque in gennaio, le temperature minime nel suolo ad una profondità di 1,6 m a Stavropol si osservano in marzo, a Yakutsk - in marzo, a Sochi - in marzo, a Vladivostok - in aprile. Pertanto, è ovvio che al momento dell'insorgere delle temperature minime nel terreno, il carico sul sistema di fornitura di calore della pompa di calore (dispersione termica dell'edificio) è ridotto. Questo punto apre opportunità abbastanza serie per ridurre la capacità installata del GTTS (risparmio sui costi di capitale) e deve essere tenuto in considerazione durante la progettazione.

Per valutare l'efficacia dell'uso dei sistemi di fornitura di calore a pompa di calore geotermica nelle condizioni climatiche della Russia, la suddivisione in zone del territorio della Federazione Russa è stata effettuata in base all'efficienza dell'utilizzo del calore geotermico a basso potenziale per scopi di fornitura di calore. La suddivisione in zone è stata effettuata sulla base dei risultati di esperimenti numerici sulla modellazione delle modalità operative del GTTS nelle condizioni climatiche di varie regioni del territorio della Federazione Russa. Sono state effettuate sperimentazioni numeriche sull'esempio di un ipotetico casolare a due piani con una superficie riscaldata di 200 mq, dotato di un sistema di fornitura di calore a pompa di calore geotermica. Le strutture di chiusura esterne della casa in esame presentano le seguenti ridotte resistenze di scambio termico:

- pareti esterne - 3,2 m 2 h°C/W;

- finestre e porte - 0,6 m 2 h ° C / W;

- rivestimenti e soffitti - 4,2 m 2 h°C/W.

Durante l'esecuzione di esperimenti numerici, sono stati considerati quanto segue:

– sistema di captazione del calore del suolo a bassa densità di consumo di energia geotermica;

– sistema di raccolta del calore orizzontale realizzato con tubi in polietilene di diametro 0,05 m e lunghezza 400 m;

– sistema di captazione del calore del suolo ad alta densità di consumo di energia geotermica;

– sistema verticale di captazione del calore da un pozzo termico del diametro di 0,16 m e della lunghezza di 40 m.

Gli studi condotti hanno dimostrato che il consumo di energia termica dalla massa del suolo entro la fine della stagione di riscaldamento provoca un abbassamento della temperatura del suolo in prossimità del registro delle tubazioni del sistema di captazione del calore, che, nelle condizioni pedoclimatiche della maggior parte delle il territorio della Federazione Russa, non ha il tempo di essere compensato nel periodo estivo dell'anno e all'inizio della prossima stagione di riscaldamento il terreno esce con un potenziale di temperatura ridotto. Il consumo di energia termica durante la successiva stagione di riscaldamento provoca un'ulteriore diminuzione della temperatura del suolo e all'inizio della terza stagione di riscaldamento il suo potenziale termico si discosta ancora di più da quello naturale. E così via... Tuttavia, gli inviluppi dell'influenza termica del funzionamento a lungo termine del sistema di raccolta del calore sul regime di temperatura naturale del suolo hanno un carattere esponenziale pronunciato e, entro il quinto anno di funzionamento, il suolo entra in un nuovo regime vicino al periodico, ovvero, a partire dal quinto anno di funzionamento, il consumo a lungo termine di energia termica dalla massa del suolo del sistema di captazione del calore è accompagnato da variazioni periodiche della sua temperatura. Pertanto, durante la suddivisione in zone del territorio della Federazione Russa, è stato necessario tenere conto del calo delle temperature del massiccio del suolo, causato dal funzionamento a lungo termine del sistema di raccolta del calore, e utilizzare le temperature del suolo previste per il 5° anno di funzionamento del GTTS come parametri di progetto per le temperature del massiccio del suolo. Tenendo conto di questa circostanza, quando si suddivide in zone il territorio della Federazione Russa in base all'efficienza dell'uso di GTES, come criterio per l'efficacia del sistema di fornitura di calore a pompa di calore geotermica, il coefficiente medio di trasformazione del calore per il 5° anno di funzionamento è stato scelto Kr tr, che è il rapporto tra l'energia termica utile generata dal GTST e l'energia spesa nel suo azionamento, e definito per il ciclo termodinamico ideale di Carnot come segue:

K tr \u003d T o / (T o - T u), (1)

dove T o è il potenziale di temperatura del calore assorbito dal sistema di riscaldamento o fornitura di calore, K;

T e - potenziale di temperatura della fonte di calore, K.

Il coefficiente di trasformazione del sistema di fornitura di calore a pompa di calore K tr è il rapporto tra il calore utile sottratto al sistema di approvvigionamento di calore del consumatore e l'energia spesa per il funzionamento del GTST, ed è numericamente uguale alla quantità di calore utile ottenuta a temperature To e T e per unità di energia spesa per l'azionamento GTST. Il rapporto di trasformazione reale differisce da quello ideale, descritto dalla formula (1), per il valore del coefficiente h, che tiene conto del grado di perfezione termodinamica del GTST e delle perdite irreversibili di energia durante l'attuazione del ciclo.

Gli esperimenti numerici sono stati condotti con l'ausilio di un programma creato presso INSOLAR-INVEST OJSC, che assicura la determinazione dei parametri ottimali del sistema di raccolta del calore in funzione delle condizioni climatiche dell'area di costruzione, delle qualità di schermatura termica dell'edificio, le caratteristiche prestazionali delle apparecchiature a pompa di calore, delle pompe di circolazione, dei dispositivi di riscaldamento dell'impianto di riscaldamento, nonché le loro modalità di funzionamento. Il programma si basa sul metodo precedentemente descritto per la costruzione di modelli matematici del regime termico dei sistemi di raccolta del calore del suolo a basso potenziale, che ha permesso di aggirare le difficoltà associate all'incertezza informativa dei modelli e all'approssimazione delle influenze esterne, a causa dell'utilizzo nel programma delle informazioni ottenute sperimentalmente sul regime termico naturale del suolo, che consente di prendere parzialmente in considerazione l'intero complesso di fattori (come la presenza di acque sotterranee, la loro velocità e i regimi termici, la struttura e posizione degli strati del suolo, lo sfondo "termico" della Terra, le precipitazioni, le trasformazioni di fase dell'umidità nello spazio dei pori e molto altro) che influiscono in modo più significativo sulla formazione del regime termico del sistema di raccolta del calore e la contabilizzazione congiunta di cui in una rigida formulazione del problema è oggi praticamente impossibile. Come soluzione al problema "di base", sono stati utilizzati i dati del Manuale sul clima dell'URSS (L.: Gidrometioizdat. Issue 1–34).

Il programma permette infatti di risolvere il problema dell'ottimizzazione multiparametrica della configurazione GTTS per uno specifico edificio e area di costruzione. Allo stesso tempo, la funzione obiettivo del problema di ottimizzazione è il costo energetico annuo minimo per il funzionamento della centrale a turbina a gas e i criteri di ottimizzazione sono il raggio dei tubi dello scambiatore di calore del suolo, la sua lunghezza (scambiatore di calore) e profondità.

I risultati di esperimenti numerici e la suddivisione in zone del territorio della Russia in termini di efficienza dell'utilizzo del calore geotermico a basso potenziale ai fini della fornitura di calore agli edifici sono presentati graficamente in Fig. 1. 2–9.

Sulla fig. 2 mostra i valori e le isolinee del coefficiente di trasformazione dei sistemi di fornitura di calore a pompa di calore geotermici con sistemi di raccolta del calore orizzontali, e in fig. 3 - per GTST con sistemi di raccolta del calore verticali. Come si evince dalle figure, nel sud della Russia sono attesi i valori massimi di Крр 4,24 per i sistemi di raccolta del calore orizzontali e 4,14 per i sistemi verticali, e i valori minimi, rispettivamente, 2,87 e 2,73 al nord, in Uelen. Per la Russia centrale, i valori di Кр tr per i sistemi di raccolta del calore orizzontali sono compresi tra 3,4 e 3,6 e per i sistemi verticali tra 3,2 e 3,4. Valori relativamente alti di Кр tr (3,2–3,5) sono degni di nota per le regioni dell'Estremo Oriente, regioni con condizioni di approvvigionamento di carburante tradizionalmente difficili. Apparentemente, l'Estremo Oriente è una regione di attuazione prioritaria del GTST.

Sulla fig. La figura 4 mostra i valori e le isolinee dei costi energetici annui specifici per l'azionamento del GTST + PD "orizzontale" (picco più vicino), inclusi i costi energetici per riscaldamento, ventilazione e fornitura di acqua calda, ridotti a 1 m 2 del riscaldamento zona, e in fig. 5 - per GTST con sistemi di raccolta del calore verticali. Come si evince dai dati, il consumo energetico specifico annuo per l'azionamento di centrali elettriche a turbina a gas orizzontale, ridotto a 1 m 2 della superficie riscaldata dell'edificio, varia da 28,8 kWh / (anno m 2) nel sud della Russia a 241 kWh / (anno m 2) a Mosca Yakutsk e per centrali elettriche a turbina a gas verticale, rispettivamente, da 28,7 kWh / / (anno m 2) nel sud e fino a 248 kWh / / ( anno m 2) a Yakutsk. Se moltiplichiamo il valore del consumo energetico specifico annuo per l'azionamento della centrale a turbina a gas mostrato nei dati di una determinata area per il valore di tale area K p tr, ridotto per 1, otterremo la quantità di energia risparmiata dalla centrale a turbina a gas da 1 m 2 di superficie riscaldata all'anno. Ad esempio, per Mosca, per una centrale elettrica a turbina a gas verticale, questo valore sarà di 189,2 kWh per 1 m 2 all'anno. Per fare un confronto, possiamo citare i valori del consumo energetico specifico stabiliti dagli standard di risparmio energetico di Mosca MGSN 2.01–99 per edifici bassi a livello di 130 e per edifici a più piani 95 kWh / (anno m 2) . Allo stesso tempo, i costi energetici normalizzati da MGSN 2.01–99 includono solo i costi energetici per il riscaldamento e la ventilazione, nel nostro caso i costi energetici includono anche i costi energetici per la fornitura di acqua calda. Il fatto è che l'approccio alla valutazione dei costi energetici per il funzionamento di un edificio, esistente nelle norme vigenti, individua i costi energetici per il riscaldamento e la ventilazione dell'edificio ei costi energetici per la sua fornitura di acqua calda come voci separate. Allo stesso tempo, i costi energetici per la fornitura di acqua calda non sono standardizzati. Questo approccio non sembra corretto, poiché i costi energetici per la fornitura di acqua calda sono spesso commisurati ai costi energetici per il riscaldamento e la ventilazione.

Sulla fig. 6 mostra i valori e le isolinee del rapporto razionale tra la potenza termica del picco più vicino (PD) e la potenza elettrica installata del GTST orizzontale in frazioni di unità, e in fig. 7 - per GTST con sistemi di raccolta del calore verticali. Il criterio per il rapporto razionale tra la potenza termica del picco più vicino e la potenza elettrica installata del GTST (escluso PD) era il costo minimo annuo dell'energia elettrica per l'azionamento del GTST + PD. Come si può vedere dalle figure, il rapporto razionale tra le capacità del PD termico e del GTPP elettrico (senza PD) varia da 0 nel sud della Russia, a 2,88 per il GTPP orizzontale e 2,92 per i sistemi verticali a Yakutsk. Nella fascia centrale del territorio della Federazione Russa, il rapporto razionale tra la potenza termica del chiudiporta e la potenza elettrica installata del GTST + PD è compreso tra 1,1 e 1,3 per GTST sia orizzontale che verticale. A questo punto è necessario soffermarsi più nel dettaglio. Il fatto è che sostituendo, ad esempio, il riscaldamento elettrico nella Russia centrale, abbiamo effettivamente l'opportunità di ridurre del 35-40% la potenza delle apparecchiature elettriche installate in un edificio riscaldato e, di conseguenza, ridurre la potenza elettrica richiesta a RAO UES , che oggi "costa » circa 50 mila rubli. per 1 kW di potenza elettrica installata in casa. Quindi, ad esempio, per un cottage con perdite di calore calcolate nel periodo di cinque giorni più freddo pari a 15 kW, risparmieremo 6 kW di energia elettrica installata e, di conseguenza, circa 300 mila rubli. o ≈ 11,5 mila dollari USA. Questa cifra è praticamente uguale al costo di un GTST di tale capacità termica.

Pertanto, se prendiamo correttamente in considerazione tutti i costi associati al collegamento di un edificio a una rete elettrica centralizzata, risulta che con le attuali tariffe per l'elettricità e la connessione alle reti di alimentazione centralizzate nella striscia centrale del territorio della Federazione Russa , anche in termini di costi una tantum, GTST risulta essere più redditizio del riscaldamento elettrico, per non parlare del risparmio energetico del 60%.

Sulla fig. 8 mostra i valori e le isolinee della quota di energia termica generata nell'anno da un picco più vicino (PD) nel consumo energetico annuo totale del sistema orizzontale GTST + PD in percentuale, e in fig. 9 - per GTST con sistemi di raccolta del calore verticali. Come si può vedere dalle cifre, la quota di energia termica generata durante l'anno da un picco più vicino (PD) nel consumo totale annuo di energia del sistema orizzontale GTST + PD varia dallo 0% nel sud della Russia a 38-40 % a Yakutsk e Tura, e per GTST+PD verticale, rispettivamente dallo 0% a sud e fino al 48,5% a Yakutsk. Nella zona centrale della Russia, questi valori sono di circa il 5-7% sia per GTS verticale che orizzontale. Si tratta di piccoli costi energetici e, a questo proposito, bisogna stare attenti a scegliere un picco più vicino. I più razionali dal punto di vista sia degli investimenti specifici di capitale in 1 kW di potenza che dell'automazione sono i driver elettrici di punta. Degno di nota è l'utilizzo di caldaie a pellet.

In conclusione, vorrei soffermarmi su un tema molto importante: il problema della scelta di un livello razionale di protezione termica degli edifici. Questo problema è oggi un compito molto serio, la cui soluzione richiede una seria analisi numerica che tenga conto delle specificità del nostro clima e delle caratteristiche delle apparecchiature ingegneristiche utilizzate, dell'infrastruttura delle reti centralizzate, nonché della situazione ambientale in città, che si sta letteralmente deteriorando sotto i nostri occhi, e molto altro ancora. È evidente che già oggi è scorretto formulare eventuali requisiti per l'involucro edilizio senza tener conto del suo rapporto (l'edificio) con il clima e il sistema di approvvigionamento energetico, utenze, ecc. Di conseguenza, in un futuro molto prossimo, la soluzione al problema della scelta di un livello razionale di protezione termica sarà possibile solo sulla base della considerazione del complesso edificio + sistema di approvvigionamento energetico + clima + ambiente come un unico sistema eco-energetico, e con questo approccio, i vantaggi competitivi di il GTTS nel mercato interno difficilmente può essere sopravvalutato.

Letteratura

1. Sanner B. Fonti di Calore a Terra per Pompe di Calore (classificazione, caratteristiche, vantaggi). Corso sulle pompe di calore geotermiche, 2002.

2. Vasiliev G. P. Livello economicamente fattibile di protezione termica degli edifici // Risparmio energetico. - 2002. - N. 5.

3. Vasiliev G. P. Fornitura di calore e freddo di edifici e strutture che utilizzano energia termica a basso potenziale degli strati superficiali della Terra: Monografia. Casa editrice "Border". – M.: Krasnaya Zvezda, 2006.