"استخدام الطاقة الحرارية ذات الإمكانات المنخفضة للأرض في أنظمة المضخات الحرارية"

Vasiliev G.P. ، المدير العلمي لشركة INSOLAR-INVEST OJSC ، ودكتوراه في العلوم التقنية ، ورئيس مجلس إدارة شركة INSOLAR-INVEST OJSC
N.V. Shilkin ، مهندس ، NIISF (موسكو)

الاستخدام الرشيد للوقود مصادر الطاقة اليوم هي واحدة من مشاكل العالم العالمية ، والحل الناجح لها ، على ما يبدو ، سيكون ذا أهمية حاسمة ليس فقط لمزيد من تطوير المجتمع العالمي ، ولكن أيضًا للحفاظ على موطنه. من الطرق الواعدة لحل هذه المشكلة تطبيق التقنيات الجديدة الموفرة للطاقةاستخدام مصادر الطاقة المتجددة غير التقليدية (NRES)أدى استنفاد الوقود الأحفوري التقليدي والعواقب البيئية لحرقه في العقود الأخيرة إلى زيادة كبيرة في الاهتمام بهذه التقنيات في جميع البلدان المتقدمة تقريبًا في العالم.

لا ترتبط مزايا تقنيات الإمداد الحراري المستخدمة بالمقارنة مع نظيراتها التقليدية بتخفيضات كبيرة في تكاليف الطاقة في أنظمة دعم الحياة في المباني والهياكل ، ولكن أيضًا النظافة البيئية، فضلا عن الفرص الجديدة في هذا المجال زيادة درجة استقلالية أنظمة دعم الحياة. على ما يبدو ، في المستقبل القريب ، ستكون هذه الصفات ذات أهمية حاسمة في تشكيل وضع تنافسي في سوق معدات توليد الحرارة.

تحليل المجالات الممكنة للتطبيق في الاقتصاد الروسي باستخدام تقنيات توفير الطاقة مصادر الطاقة غير التقليدية، يوضح أن أكثر المجالات الواعدة في روسيا لتنفيذها هي أنظمة دعم الحياة في المباني. في الوقت نفسه ، يبدو أن هناك اتجاهًا فعالاً للغاية لإدخال التقنيات قيد النظر في ممارسة البناء المحلي تطبيق واسع أنظمة إمداد الحرارة لمضخة الحرارة (TST)، باستخدام تربة الطبقات السطحية للأرض كمصدر حراري منخفض الإمكانات متاح في كل مكان.

استخدام حرارة الأرضهناك نوعان من الطاقة الحرارية - عالية الإمكانات ومنخفضة الإمكانات. مصدر الطاقة الحرارية عالية الإمكانات هو الموارد الحرارية المائية - المياه الحراريةيتم تسخينها نتيجة العمليات الجيولوجية إلى درجة حرارة عالية ، مما يسمح باستخدامها في تدفئة المباني. ومع ذلك ، فإن استخدام الحرارة ذات الإمكانات العالية للأرض يقتصر على المناطق ذات المعلمات الجيولوجية المحددة. في روسيا ، هذا ، على سبيل المثال ، Kamchatka ، منطقة المياه المعدنية القوقازية ؛ في أوروبا ، توجد مصادر حرارة عالية الإمكانات في المجر وأيسلندا وفرنسا.

على عكس الاستخدام "المباشر" للحرارة ذات الإمكانات العالية (الموارد الحرارية المائية) ، استخدام حرارة منخفضة الدرجة للأرضمن خلال المضخات الحرارية ممكن في كل مكان تقريبًا. إنها حاليًا واحدة من أسرع مجالات الاستخدام نموًا مصادر الطاقة المتجددة غير التقليدية.

الحرارة المنخفضة المحتملة للأرضيمكن استخدامها في أنواع مختلفة من المباني والهياكل بعدة طرق: للتدفئة ، وإمداد الماء الساخن ، وتكييف الهواء (التبريد) ، ومسارات التدفئة في فصل الشتاء ، ومنع الجليد ، والتدفئة في الملاعب المفتوحة ، وما إلى ذلك. الأدبيات الفنية اللغوية ، مثل هذه الأنظمة تسمى "GHP" - "مضخات الحرارة الجوفية" ، مضخات الحرارة الجوفية.

تحدد الخصائص المناخية لبلدان وسط وشمال أوروبا ، والتي تعد ، إلى جانب الولايات المتحدة وكندا ، المناطق الرئيسية لاستخدام حرارة الأرض منخفضة الدرجة ، بشكل أساسي الحاجة إلى التدفئة ؛ نادرًا ما يكون تبريد الهواء ، حتى في الصيف ، مطلوبًا نسبيًا. لذلك ، على عكس الولايات المتحدة ، مضخات حراريةفي الدول الأوروبية ، تعمل بشكل رئيسي في وضع التدفئة. في الولايات المتحدة الأمريكية مضخات حراريةغالبًا ما تستخدم في أنظمة تسخين الهواء جنبًا إلى جنب مع التهوية ، مما يسمح بتسخين وتبريد الهواء الخارجي. في الدول الأوروبية مضخات حراريةيشيع استخدامها في أنظمة تسخين المياه. بقدر ما كفاءة المضخة الحراريةيزيد مع انخفاض فرق درجة الحرارة بين المبخر والمكثف ، غالبًا ما تستخدم أنظمة التدفئة الأرضية لتدفئة المباني ، حيث يتم تدوير المبرد بدرجة حرارة منخفضة نسبيًا (35-40 درجة مئوية).

غالبية مضخات حراريةفي أوروبا ، مصممة لاستخدام حرارة الأرض منخفضة الدرجة ، ومجهزة بضواغط تعمل بالكهرباء.

على مدى السنوات العشر الماضية ، كان عدد الأنظمة التي تستخدم حرارة الأرض منخفضة الدرجة لتزويد المباني بالحرارة والبرودة من خلال مضخات حرارية، ازداد بشكل ملحوظ. يتم استخدام أكبر عدد من هذه الأنظمة في الولايات المتحدة الأمريكية. يعمل عدد كبير من هذه الأنظمة في كندا وبلدان وسط وشمال أوروبا: النمسا وألمانيا والسويد وسويسرا. تتصدر سويسرا في استخدام الطاقة الحرارية منخفضة الجودة للأرض بالنسبة للفرد. في روسيا ، على مدى السنوات العشر الماضية ، باستخدام التكنولوجيا وبمشاركة INSOLAR-INVEST OJSC ، المتخصصة في هذا المجال ، تم بناء عدد قليل فقط من الأشياء ، والتي تم تقديم أكثرها إثارة للاهتمام.

في موسكو ، في منطقة نيكولينو 2 الصغيرة ، في الواقع ، لأول مرة ، أ نظام ضخ حرارة الماء الساخنمبنى سكني متعدد الطوابق. تم تنفيذ هذا المشروع في 1998-2002 من قبل وزارة الدفاع في الاتحاد الروسي بالاشتراك مع حكومة موسكو ووزارة الصناعة والعلوم في روسيا ورابطة NP ABOK وفي إطار "برنامج طويل الأمد لتوفير الطاقة في موسكو".

كمصدر منخفض الإمكانات للطاقة الحرارية لمبخرات المضخات الحرارية ، يتم استخدام حرارة تربة الطبقات السطحية للأرض ، وكذلك حرارة هواء التهوية الذي تمت إزالته. يقع مصنع تحضير الماء الساخن في الطابق السفلي من المبنى. يتضمن العناصر الرئيسية التالية:

• تركيبات المضخات الحرارية بضغط البخار (HPU) ؛
• صهاريج تخزين الماء الساخن
• أنظمة لتجميع الطاقة الحرارية منخفضة الدرجة للتربة والحرارة المنخفضة الدرجة لهواء التهوية المُزال ؛
• مضخات الدوران ، والأجهزة

عنصر التبادل الحراري الرئيسي في النظام لتجميع حرارة الأرض منخفضة الدرجة هو المبادلات الحرارية الرأسية المحورية الأرضية الموجودة بالخارج على طول محيط المبنى. هذه المبادلات الحرارية عبارة عن 8 آبار بعمق 32 إلى 35 مترًا ، مرتبة بالقرب من المنزل. منذ وضع التشغيل للمضخات الحرارية باستخدام دفء الارضوتكون حرارة الهواء المزال ثابتة ، في حين أن استهلاك الماء الساخن متغير ، فإن نظام تزويد الماء الساخن مزود بخزانات تخزين.

ترد في الجدول بيانات تقدر المستوى العالمي لاستخدام الطاقة الحرارية منخفضة الإمكانات للأرض عن طريق مضخات الحرارة.

الجدول 1. المستوى العالمي لاستخدام الطاقة الحرارية منخفضة الإمكانات للأرض من خلال المضخات الحرارية

التربة كمصدر للطاقة الحرارية منخفضة الإمكانات

كمصدر للطاقة الحرارية ذات الإمكانات المنخفضة ، يمكن استخدام المياه الجوفية ذات درجة الحرارة المنخفضة نسبيًا أو التربة السطحية (حتى عمق 400 متر) من طبقات الأرض.. المحتوى الحراري لكتلة التربة أعلى بشكل عام. يتكون النظام الحراري للتربة من الطبقات السطحية للأرض تحت تأثير عاملين رئيسيين - الحادث على السطح اشعاع شمسيوتدفق الحرارة المشعة من باطن الأرض. التغيرات الموسمية واليومية في شدة الإشعاع الشمسي ودرجة الحرارة الخارجية تسبب تقلبات في درجات الحرارة الطبقات العلياتربة. عمق تغلغل التقلبات اليومية في درجة حرارة الهواء الخارجي وشدة الإشعاع الشمسي الساقط ، اعتمادًا على التربة المحددة- الظروف المناخيةيتراوح من بضع عشرات من السنتيمترات إلى متر ونصف. لا يتجاوز عمق تغلغل التقلبات الموسمية في درجة حرارة الهواء الخارجي وشدة الإشعاع الشمسي الساقط ، كقاعدة عامة ، 15-20 م.

يتشكل نظام درجة حرارة طبقات التربة الواقعة أسفل هذا العمق ("المنطقة المحايدة") تحت تأثير الطاقة الحرارية القادمة من أحشاء الأرض ولا يعتمد عمليًا على التغيرات الموسمية ، بل وحتى التغيرات اليومية في معايير المناخ الخارجية ( رسم بياني 1).

أرز. 1. رسم بياني للتغيرات في درجة حرارة التربة حسب العمق

مع زيادة العمق ، تزداد درجة حرارة التربة وفقًا للتدرج الحراري الأرضي (حوالي 3 درجات مئوية لكل 100 متر). يختلف حجم تدفق الحرارة المشعة القادمة من أحشاء الأرض باختلاف المواقع. بالنسبة اوربا الوسطىهذه القيمة هي 0.05-0.12 واط / م 2.

خلال فترة التشغيل ، تكون كتلة التربة الموجودة داخل منطقة التأثير الحراري لسجل أنابيب المبادل الحراري للتربة في نظام تجميع حرارة الأرض منخفضة الدرجة (نظام تجميع الحرارة) ، بسبب التغيرات الموسمية في معلمات يتعرض المناخ الخارجي ، وكذلك تحت تأثير الأحمال التشغيلية على نظام تجميع الحرارة ، كقاعدة عامة ، لتكرار التجميد وإزالة الصقيع. في نفس الوقت ، بطبيعة الحال ، هناك تغيير حالة التجميعالرطوبة الموجودة في مسام التربة وتتواجد بشكل عام في كل من السائل وفي المراحل الصلبة والغازية في نفس الوقت. وبعبارة أخرى ، فإن كتلة التربة في نظام جمع الحرارة ، بغض النظر عن الحالة التي تكون فيها (مجمدة أو مذابة) ، هي عبارة عن نظام غير متجانس متعدد الأطوار معقد ، يتكون هيكله من عدد كبير من الجسيمات الصلبة من أشكال وأحجام مختلفة ويمكن أن تكون صلبة ومتحركة على حد سواء ، اعتمادًا على ما إذا كانت الجسيمات مرتبطة ارتباطًا وثيقًا ببعضها البعض أو ما إذا كانت مفصولة عن بعضها البعض بواسطة مادة في الطور المتحرك. يمكن ملء الفجوات بين الجسيمات الصلبة بالرطوبة المعدنية والغاز والبخار والجليد أو كليهما. من الصعب للغاية نمذجة عمليات نقل الحرارة والكتلة التي تشكل النظام الحراري لمثل هذا النظام متعدد المكونات. مهمة صعبةنظرًا لأنه يتطلب الأخذ في الاعتبار والوصف الرياضي للآليات المختلفة لتنفيذها: التوصيل الحراري في جسيم واحد ، ونقل الحرارة من جسيم إلى آخر عند ملامسته ، والتوصيل الحراري الجزيئي في وسط يملأ الفجوات بين الجسيمات ، والحمل الحراري البخار والرطوبة الموجودة في مساحة المسام ، وغيرها الكثير.

يجب إيلاء اهتمام خاص لتأثير رطوبة كتلة التربة وهجرة الرطوبة في مسامها على العمليات الحرارية التي تحدد خصائص التربة كمصدر للطاقة الحرارية منخفضة الإمكانات.

في الأنظمة الشعرية المسامية ، وهي كتلة التربة في نظام جمع الحرارة ، يكون لوجود الرطوبة في مساحة المسام تأثير ملحوظ على عملية توزيع الحرارة. ترتبط المحاسبة الصحيحة لهذا التأثير اليوم بصعوبات كبيرة ، والتي ترتبط في المقام الأول بنقص الأفكار الواضحة حول طبيعة توزيع أطوار الرطوبة الصلبة والسائلة والغازية في بنية معينة من النظام. لم يتم بعد توضيح طبيعة قوى الترابط بين الرطوبة والجسيمات الهيكلية ، واعتماد أشكال الترابط الرطوبي مع المادة في مراحل مختلفة من الترطيب ، وآلية حركة الرطوبة في مساحة المسام.

إذا كان هناك تدرج في درجة الحرارة في سمك كتلة التربة ، فإن جزيئات البخار تتحرك إلى أماكن ذات احتمالية منخفضة لدرجة الحرارة ، ولكن في نفس الوقت ، وتحت تأثير قوى الجاذبية ، يحدث تدفق رطوبة موجه بشكل معاكس في الطور السائل . بالإضافة إلى ذلك ، يتأثر نظام درجة حرارة الطبقات العليا من التربة برطوبة هطول الأمطار في الغلاف الجوي ، وكذلك المياه الجوفية.

تتشكل العوامل الرئيسية تحت تأثيرها نظام درجة الحرارةأنظمة جمع كتلة التربة لحرارة التربة منخفضة الإمكانات موضحة في الشكل. 2.

أرز. 2. العوامل التي تحت تأثير نظام درجة حرارة التربة

أنواع أنظمة استخدام الطاقة الحرارية منخفضة الإمكانات للأرض

المبادلات الحرارية الأرضية متصلة معدات المضخات الحراريةمع كتلة التربة. بالإضافة إلى "استخلاص" حرارة الأرض ، يمكن أيضًا استخدام المبادلات الحرارية الأرضية لتجميع الحرارة (أو البرودة) في كتلة الأرض.

في الحالة العامة ، يمكن التمييز بين نوعين من أنظمة استخدام الطاقة الحرارية منخفضة الإمكانات للأرض:

• أنظمة مفتوحة:كمصدر للطاقة الحرارية ذات الإمكانات المنخفضة ، يتم استخدام المياه الجوفية ، والتي يتم توفيرها مباشرة لمضخات الحرارة ؛
• أنظمة مغلقة:توجد المبادلات الحرارية في كتلة التربة ؛ عندما يدور المبرد من خلالها مع انخفاض درجة الحرارة بالنسبة إلى الأرض ، يتم "فصل" الطاقة الحرارية من الأرض ونقلها إلى المبخر مضخة الحرارة (أو عند استخدام سائل تبريد بدرجة حرارة مرتفعة بالنسبة إلى الأرض ، يتم تبريده).

الجزء الرئيسي من الأنظمة المفتوحة هو الآبار التي تسمح باستخراج المياه الجوفية منها طبقات المياه الجوفيةالتربة وإعادة المياه إلى نفس طبقات المياه الجوفية. عادة ما يتم ترتيب الآبار المزدوجة لهذا الغرض. يظهر رسم تخطيطي لمثل هذا النظام في الشكل. 3.

أرز. 3. مخطط نظام مفتوح لاستخدام الطاقة الحرارية منخفضة الإمكانات للمياه الجوفية

تتمثل ميزة الأنظمة المفتوحة في إمكانية الحصول على كمية كبيرة من الطاقة الحرارية بتكلفة منخفضة نسبيًا. ومع ذلك ، الآبار تتطلب صيانة. بالإضافة إلى ذلك ، فإن استخدام مثل هذه الأنظمة غير ممكن في جميع المجالات. المتطلبات الرئيسية للتربة والمياه الجوفية هي كما يلي:

• نفاذية كافية للتربة ، مما يسمح بتجديد احتياطيات المياه ؛
• جيد التركيب الكيميائيالمياه الجوفية (مثل محتوى الحديد المنخفض) لتجنب مشاكل التآكل و مقياس الأنابيب.

غالبًا ما تستخدم الأنظمة المفتوحة للتدفئة أو تبريد المباني الكبيرة. أكبر نظام للمضخات الحرارية الجوفية في العالمتستخدم المياه الجوفية كمصدر للطاقة الحرارية منخفضة الإمكانات. يقع هذا النظام في الولايات المتحدة الأمريكية في لويزفيل ، كنتاكي. يستخدم النظام للتدفئة والبرودة لمجمع مكاتب الفنادق ؛ قوتها حوالي 10 ميغاواط.

في بعض الأحيان ، تشتمل الأنظمة التي تستخدم حرارة الأرض على أنظمة لاستخدام حرارة منخفضة الدرجة من المسطحات المائية المفتوحة ، الطبيعية منها والاصطناعية. تم تبني هذا النهج ، على وجه الخصوص ، في الولايات المتحدة. تصنف الأنظمة التي تستخدم حرارة منخفضة الدرجة من الخزانات على أنها أنظمة مفتوحة ، وكذلك الأنظمة التي تستخدم حرارة منخفضة الدرجة من المياه الجوفية.

الأنظمة المغلقة ، بدورها ، مقسمة إلى أفقية ورأسية.

مبادل حراري أرضي أفقي(في الأدب الإنجليزي ، يتم استخدام المصطلحين "جامع حرارة الأرض" و "الحلقة الأفقية") عادة ما يتم ترتيبها بالقرب من المنزل على عمق ضحل (ولكن أقل من مستوى تجمد التربة في الشتاء). يقتصر استخدام المبادلات الحرارية الأرضية الأفقية على حجم الموقع المتاح.

في بلدان أوروبا الغربية والوسطى ، عادة ما تكون المبادلات الحرارية الأرضية الأفقية عبارة عن أنابيب منفصلة موضوعة بإحكام نسبيًا ومتصلة ببعضها البعض في سلسلة أو متوازية (الشكل 4 أ ، 4 ب). لتوفير مساحة الموقع ، تم تطوير أنواع محسّنة من المبادلات الحرارية ، على سبيل المثال ، المبادلات الحرارية على شكل حلزوني ، يقع أفقياً أو رأسياً (الشكل 4 هـ ، 4 و). هذا النوع من المبادلات الحرارية شائع في الولايات المتحدة الأمريكية.

أرز. 4. أنواع المبادلات الحرارية الأرضية الأفقية
أ - مبادل حراري للأنابيب المتصلة بالسلسلة ؛
ب - مبادل حراري من الأنابيب المتوازية ؛
ج - مجمع أفقي موضوع في خندق ؛
د - مبادل حراري على شكل حلقة ؛
ه - مبادل حراري على شكل حلزوني يقع أفقياً (ما يسمى بالمجمع "النحيف" ؛
ه - مبادل حراري على شكل حلزوني يقع رأسياً

إذا تم استخدام نظام به مبادلات حرارية أفقية فقط لتوليد الحرارة ، فلا يمكن تشغيله العادي إلا إذا كان هناك مدخلات حرارة كافية من سطح الأرض بسبب الإشعاع الشمسي. لهذا السبب ، يجب أن يتعرض السطح الموجود فوق المبادلات الحرارية لأشعة الشمس.

المبادلات الحرارية الأرضية العمودية(في الأدب الإنجليزي ، يُقبل التعيين "BHE" - "مبادل حراري بئر") يسمح باستخدام الطاقة الحرارية منخفضة الإمكانات لكتلة التربة الواقعة أسفل "المنطقة المحايدة" (10-20 مترًا من مستوى الأرض). لا تتطلب الأنظمة ذات المبادلات الحرارية الرأسية للأرض أقسامًا مساحة كبيرةولا تعتمد على شدة الإشعاع الشمسي الساقط على السطح. تعمل المبادلات الحرارية للأرض بشكل فعال في جميع أنواع البيئات الجيولوجية تقريبًا ، باستثناء التربة ذات الموصلية الحرارية المنخفضة ، مثل الرمل الجاف أو الحصى الجاف. الأنظمة ذات المبادلات الحرارية الأرضية العمودية منتشرة على نطاق واسع.

يوضح الشكل مخطط التدفئة وإمدادات المياه الساخنة لمبنى سكني مكون من شقة واحدة عن طريق وحدة مضخة حرارية مع مبادل حراري أرضي رأسي. خمسة.

أرز. 5. مخطط التدفئة وإمداد الماء الساخن لمبنى سكني من شقة واحدة عن طريق وحدة مضخة حرارية مع مبادل حراري أرضي رأسي

المبرد يدور من خلال الأنابيب (في الغالب البولي إيثيلين أو البولي بروبلين) الموضوعة في آبار عمودية بعمق 50 إلى 200 متر.عادة ما يتم استخدام نوعين من المبادلات الحرارية الأرضية العمودية (الشكل 6):

• مبادل حراري على شكل حرف U ، وهما أنبوبان متوازيان متصلان في الأسفل. يوجد زوج واحد أو زوجان (نادرًا ثلاثة) من هذه الأنابيب في بئر واحد. ميزة مثل هذا المخطط هي تكلفة التصنيع المنخفضة نسبيًا. تعد المبادلات الحرارية المزدوجة على شكل حرف U أكثر أنواع المبادلات الحرارية الأرضية العمودية استخدامًا في أوروبا.
• مبادل حراري متحد المحور. أبسط مبادل حراري محوري يتكون من أنبوبين بأقطار مختلفة. يتم وضع أنبوب قطره أصغر داخل أنبوب آخر. يمكن أن تكون المبادلات الحرارية متحدة المحور ذات تكوينات أكثر تعقيدًا.

أرز. 6. المقطع العرضي لأنواع مختلفة من المبادلات الحرارية الأرضية العمودية

لزيادة كفاءة المبادلات الحرارية ، يتم ملء الفراغ بين جدران البئر والأنابيب بمواد خاصة موصلة للحرارة.

يمكن استخدام الأنظمة ذات المبادلات الحرارية الرأسية للأرض في تدفئة المباني وتبريدها نروىنر. بالنسبة لمبنى صغير ، يكفي مبادل حراري واحد ؛ بالنسبة للمباني الكبيرة ، قد يتطلب الأمر مجموعة كاملة من الآبار ذات المبادلات الحرارية العمودية. يستخدم أكبر عدد من الآبار في العالم في نظام التدفئة والتبريد بكلية ريتشارد ستوكتون في ولاية نيو جيرسي الأمريكية. تقع المبادلات الحرارية الأرضية العمودية لهذه الكلية في 400 بئر بعمق 130 مترًا.في أوروبا ، يتم استخدام أكبر عدد من الآبار (154 بئرًا بعمق 70 مترًا) في نظام التدفئة والتبريد للمكتب المركزي لمراقبة الحركة الجوية الألمانية الخدمة ("Deutsche Flug-sicherung").

من الحالات الخاصة للأنظمة الرأسية المغلقة استخدامها كمبادلات حرارية للأرض بناء الهياكل، مثل أكوام الأساس مع خطوط الأنابيب المدمجة. يظهر قسم هذه الكومة بثلاثة ملامح لمبادل حراري للتربة في الشكل. 7.

أرز. 7. مخطط المبادلات الحرارية الأرضية المضمنة في ركائز الأساس للمبنى والمقطع العرضي لهذه الكومة

يمكن استخدام الكتلة الأرضية (في حالة المبادلات الحرارية للأرض الرأسية) وهياكل المباني التي تحتوي على مبادلات حرارية أرضية ليس فقط كمصدر ، ولكن أيضًا كمجمع طبيعي للطاقة الحرارية أو "البرودة" ، على سبيل المثال ، حرارة الإشعاع الشمسي.

هناك أنظمة لا يمكن تصنيفها بوضوح على أنها مفتوحة أو مغلقة. على سبيل المثال ، نفس البئر العميقة (من عمق 100 إلى 450 مترًا) المملوءة بالماء يمكن أن تكون عبارة عن إنتاج وحقن. يبلغ قطر البئر عادة 15 سم. الجزء السفلييتم وضع مضخة في البئر ، يتم من خلالها إمداد المياه من البئر إلى مبخرات المضخة الحرارية. يعود الماء العائد إلى أعلى عمود الماء في نفس البئر. هناك تغذية مستمرة للبئر بالمياه الجوفية ، و نظام مفتوحيعمل مثل واحد مغلق. تسمى الأنظمة من هذا النوع في الأدب الإنجليزي "نظام الآبار الدائمة" (الشكل 8).

أرز. 8. مخطط نوع البئر "عمود بئر قائم"

عادةً ما تُستخدم الآبار من هذا النوع أيضًا لتزويد المبنى بمياه الشرب.. ومع ذلك ، لا يمكن لهذا النظام أن يعمل بشكل فعال إلا في التربة التي توفر إمدادًا ثابتًا بالمياه للبئر ، مما يمنعها من التجمد. إذا كانت طبقة المياه الجوفية عميقة جدًا ، الأداء الطبيعيسيتطلب النظام مضخة قوية تتطلب زيادة تكاليف الطاقة. يتسبب العمق الكبير للبئر في تكلفة عالية إلى حد ما لهذه الأنظمة ، لذلك لا يتم استخدامها لتزويد المباني الصغيرة بالحرارة والبرودة. يوجد الآن العديد من هذه الأنظمة في العالم في الولايات المتحدة الأمريكية وألمانيا وأوروبا.

واحد من اتجاهات واعدة- استخدام مياه المناجم والأنفاق كمصدر للطاقة الحرارية منخفضة الإمكانات. درجة حرارة هذا الماء ثابتة طوال العام. المياه من المناجم والأنفاق متاحة بسهولة.

"استدامة" أنظمة استخدام حرارة الأرض منخفضة الدرجة

أثناء تشغيل المبادل الحراري للتربة ، قد ينشأ موقف عندما تنخفض درجة حرارة التربة بالقرب من المبادل الحراري للتربة أثناء موسم التسخين ، وفي الصيف لا يكون للتربة وقت للتدفئة إلى درجة الحرارة الأولية - درجة حرارتها النقصان المحتمل. يؤدي استهلاك الطاقة خلال موسم التدفئة التالي إلى انخفاض أكبر في درجة حرارة التربة ، كما يتم تقليل درجة حرارة التربة بشكل أكبر. هذا يفرض تصميم النظام استخدام حرارة منخفضة الدرجة للأرضالنظر في مشكلة "استقرار" (استدامة) مثل هذه النظم. في كثير من الأحيان ، يتم استخدام موارد الطاقة بشكل مكثف للغاية لتقليل فترة استرداد المعدات ، مما قد يؤدي إلى نضوبها السريع. لذلك ، من الضروري الحفاظ على هذا المستوى من إنتاج الطاقة الذي من شأنه أن يسمح باستغلال مصدر موارد الطاقة. منذ وقت طويل. إن قدرة الأنظمة على الحفاظ على المستوى المطلوب من إنتاج الحرارة لفترة طويلة تسمى "الاستدامة". للأنظمة التي تستخدم إمكانات منخفضة حرارة الأرضيتم تقديم التعريف التالي للاستدامة: "لكل نظام يستخدم حرارة منخفضة الجهد للأرض ولكل طريقة تشغيل لهذا النظام ، هناك حد أقصى معين لإنتاج الطاقة ؛ يمكن الحفاظ على إنتاج الطاقة دون هذا المستوى لفترة طويلة (100-300 سنة). "

عقدت في شركة OJSC INSOLAR-INVESTأظهرت الدراسات أن استهلاك الطاقة الحرارية من كتلة التربة بنهاية موسم التدفئة يتسبب في انخفاض درجة حرارة التربة بالقرب من سجل أنابيب نظام تجميع الحرارة ، والتي في التربة والظروف المناخية لمعظم الأراضي. روسيا ، ليس لديها وقت للتعويض في فصل الصيف ، وبحلول بداية موسم التدفئة التالي ، تخرج التربة بإمكانية درجات حرارة منخفضة. يتسبب استهلاك الطاقة الحرارية خلال موسم التدفئة التالي في حدوث انخفاض إضافي في درجة حرارة التربة ، وبحلول بداية موسم التدفئة الثالث ، تختلف درجة الحرارة المحتملة بدرجة أكبر عن الطبيعي. إلخ. ومع ذلك ، فإن مغلفات التأثير الحراري للتشغيل طويل الأمد لنظام جمع الحرارة على نظام درجة الحرارة الطبيعية للتربة لها طابع أسي واضح ، وبحلول السنة الخامسة من التشغيل ، تدخل التربة نظامًا جديدًا قريبًا من الدوري ، أي ، بدءًا من السنة الخامسة للتشغيل ، يكون الاستهلاك طويل المدى للطاقة الحرارية من كتلة التربة ، ويرافق نظام تجميع الحرارة تغيرات دورية في درجة حرارتها. وهكذا ، عند التصميم أنظمة تسخين المضخات الحراريةيبدو من الضروري مراعاة الانخفاض في درجات حرارة كتلة التربة الناجم عن التشغيل طويل الأمد لنظام جمع الحرارة ، واستخدام درجات حرارة كتلة التربة المتوقعة للسنة الخامسة من تشغيل TST كمعلمات تصميم.

في الأنظمة المدمجة، يستخدم لكل من إمداد الحرارة والبرودة ، يتم ضبط توازن الحرارة "تلقائيًا": في الشتاء (مطلوب إمداد حراري) ، يتم تبريد كتلة التربة ، في الصيف (مطلوب إمداد بارد) ، يتم تسخين كتلة التربة. في الأنظمة التي تستخدم حرارة المياه الجوفية منخفضة الدرجة ، هناك تجديد مستمر لاحتياطيات المياه بسبب تسرب المياه من السطح والمياه القادمة من طبقات أعمق من التربة. وبالتالي ، يزيد المحتوى الحراري للمياه الجوفية "من الأعلى" (بسبب الحرارة الهواء الجوي) و "من أسفل" (بسبب حرارة الأرض) ؛ تعتمد قيمة اكتساب الحرارة "من أعلى" و "من أسفل" على سمك وعمق طبقة المياه الجوفية. بسبب عمليات نقل الحرارة هذه ، تظل درجة حرارة المياه الجوفية ثابتة طوال الموسم ولا تتغير إلا قليلاً أثناء التشغيل.

في الأنظمة ذات المبادلات الحرارية الرأسية ، يكون الوضع مختلفًا.عند إزالة الحرارة ، تنخفض درجة حرارة التربة حول المبادل الحراري للتربة. يتأثر الانخفاض في درجة الحرارة بكل من ميزات تصميم المبادل الحراري وطريقة تشغيله. على سبيل المثال ، في الأنظمة ذات قيم تبديد الحرارة العالية (عدة عشرات من واط لكل متر من طول المبادل الحراري) أو في الأنظمة ذات المبادل الحراري الأرضي الموجود في التربة ذات الموصلية الحرارية المنخفضة (على سبيل المثال ، في الرمال الجافة أو الحصى الجاف) سيكون الانخفاض في درجة الحرارة ملحوظًا بشكل خاص ويمكن أن يؤدي إلى تجميد كتلة التربة حول المبادل الحراري للتربة.

قام المتخصصون الألمان بقياس درجة حرارة كتلة التربة ، حيث يتم ترتيب مبادل حراري عمودي للتربة بعمق 50 مترًا ، بالقرب من فرانكفورت أم ماين. لهذا الغرض ، تم حفر 9 آبار من نفس العمق حول البئر الرئيسي على مسافة 2.5 و 5 و 10 أمتار. في جميع الآبار العشر ، تم تركيب مستشعرات درجة الحرارة كل 2 متر - ما مجموعه 240 جهاز استشعار. على التين. يوضح الشكل 9 الرسوم البيانية التي توضح توزيع درجة الحرارة في كتلة التربة حول المبادل الحراري الرأسي للتربة في بداية ونهاية موسم التسخين الأول. في نهاية موسم التسخين ، يظهر بوضوح انخفاض في درجة حرارة كتلة التربة حول المبادل الحراري. يوجد تدفق حراري موجه إلى المبادل الحراري من كتلة التربة المحيطة ، والذي يعوض جزئيًا عن الانخفاض في درجة حرارة التربة الناجم عن "اختيار" الحرارة. يقدر حجم هذا التدفق مقارنة بحجم التدفق الحراري من باطن الأرض في منطقة معينة (80-100 ميغاواط / متر مربع) بأنه مرتفع جدًا (عدة واط لكل متر مربع).

أرز. الشكل 9. مخططات توزيع درجة الحرارة في كتلة التربة حول المبادل الحراري الرأسي للتربة في بداية ونهاية موسم التسخين الأول

منذ أن بدأت المبادلات الحرارية العمودية تنتشر نسبيًا منذ حوالي 15-20 عامًا ، هناك نقص في البيانات التجريبية في جميع أنحاء العالم التي تم الحصول عليها خلال فترات التشغيل طويلة المدى (عدة عشرات من السنين) للأنظمة ذات المبادلات الحرارية من هذا النوع. السؤال الذي يطرح نفسه حول استقرار هذه الأنظمة ، حول موثوقيتها لفترات طويلة من التشغيل. هل الحرارة المنخفضة المحتملة للأرض مصدر طاقة متجددة؟ ما هي مدة "تجديد" هذا المصدر؟

عند تشغيل مدرسة ريفية في منطقة ياروسلافل ، مجهزة نظام المضخة الحراريةباستخدام مبادل حراري أرضي عمودي ، كانت القيم المتوسطة لإزالة الحرارة النوعية عند مستوى 120–190 واط / دورة في الدقيقة. م طول المبادل الحراري.

منذ عام 1986 ، تم إجراء بحث في سويسرا بالقرب من زيورخ على نظام بمبادلات حرارية أرضية عمودية. تم تركيب مبادل حراري أرضي عمودي محوري بعمق 105 أمتار في كتلة التربة.تم استخدام هذا المبادل الحراري كمصدر للطاقة الحرارية منخفضة الدرجة لنظام مضخة حرارية مثبتة في مبنى سكني من شقة واحدة. قدم المبادل الحراري الأرضي الرأسي قدرة ذروة تبلغ حوالي 70 واط لكل متر من الطول ، مما أدى إلى حدوث قوة كبيرة الحمل الحراريعلى التربة المحيطة. يبلغ الإنتاج السنوي من الطاقة الحرارية حوالي 13 ميغاواط ساعة

على مسافة 0.5 و 1 متر من البئر الرئيسي ، تم حفر بئرين إضافيين ، حيث تم تركيب مستشعرات درجة الحرارة على عمق 1 و 2 و 5 و 10 و 20 و 35 و 50 و 65 و 85 و 105 م ، وبعد ذلك تم ملء الآبار بخليط الطين والأسمنت. تم قياس درجة الحرارة كل ثلاثين دقيقة. بالإضافة إلى درجة حرارة التربة ، تم أيضًا تسجيل معلمات أخرى: سرعة المبرد ، واستهلاك الطاقة لمحرك ضاغط المضخة الحرارية ، ودرجة حرارة الهواء ، إلخ.

استمرت فترة المراقبة الأولى من 1986 إلى 1991. أظهرت القياسات أن تأثير حرارة الهواء الخارجي والإشعاع الشمسي لوحظ في الطبقة السطحية للتربة على عمق يصل إلى 15 مترًا. وتحت هذا المستوى ، يتشكل النظام الحراري للتربة بشكل أساسي بسبب حرارة باطن الأرض. خلال أول 2-3 سنوات من التشغيل درجة حرارة كتلة الأرضانخفض بشكل حاد حول المبادل الحراري العمودي ، ولكن كل عام انخفض الانخفاض في درجة الحرارة ، وبعد بضع سنوات وصل النظام إلى نظام قريب من الثابت ، عندما أصبحت درجة حرارة كتلة التربة حول المبادل الحراري أقل من درجة الحرارة الأولية بمقدار 1 –2 درجة مئوية.

في خريف عام 1996 ، بعد عشر سنوات من بدء تشغيل النظام ، تم استئناف القياسات. أظهرت هذه القياسات أن درجة حرارة الأرض لم تتغير بشكل كبير. في السنوات اللاحقة ، تم تسجيل تقلبات طفيفة في درجة حرارة الأرض في حدود 0.5 درجة مئوية ، اعتمادًا على حمل التدفئة السنوي. وهكذا ، دخل النظام في نظام شبه ثابت بعد السنوات القليلة الأولى من التشغيل.

بناءً على البيانات التجريبية ، تم بناء نماذج رياضية للعمليات التي تجري في كتلة التربة ، مما جعل من الممكن عمل تنبؤ طويل المدى للتغيرات في درجة حرارة كتلة التربة.

أظهرت النمذجة الرياضية أن الانخفاض السنوي في درجة الحرارة سينخفض ​​تدريجياً ، وأن حجم كتلة التربة حول المبادل الحراري ، الذي يخضع لانخفاض درجة الحرارة ، سيزداد كل عام. في نهاية فترة التشغيل ، تبدأ عملية التجديد: تبدأ درجة حرارة التربة في الارتفاع. تشبه طبيعة عملية التجديد طبيعة عملية "اختيار" الحرارة: في السنوات الأولى من التشغيل ، تحدث زيادة حادة في درجة حرارة التربة ، وفي السنوات اللاحقة ، ينخفض ​​معدل زيادة درجة الحرارة. يعتمد طول فترة "التجديد" على طول فترة التشغيل. هاتان الفترتان متماثلتان تقريبًا. في هذه الحالة ، كانت فترة تشغيل المبادل الحراري الأرضي ثلاثين عامًا ، وتقدر أيضًا فترة "التجديد" بثلاثين عامًا.

وبالتالي ، فإن أنظمة التدفئة والتبريد للمباني ، باستخدام حرارة الأرض منخفضة الدرجة ، هي مصدر موثوق للطاقة يمكن استخدامه في كل مكان. يمكن استخدام هذا المصدر لفترة طويلة ، ويمكن تجديده في نهاية فترة التشغيل.

المؤلفات

1. Rybach L. حالة وآفاق مضخات الحرارة الجوفية في أوروبا والعالم ؛ جوانب الاستدامة من GHPs. الدورة الدولية للمضخات الحرارية الجوفية 2002

2. Vasiliev G.P. ، Krundyshev N.S. مدرسة ريفية موفرة للطاقة في منطقة ياروسلافل. ABOK №5 ، 2002

3. Sanner B. مصادر الحرارة الأرضية للمضخات الحرارية (التصنيف ، الخصائص ، المزايا). 2002

4. Rybach L. حالة وآفاق مضخات الحرارة الجوفية في أوروبا والعالم ؛ جوانب الاستدامة من GHPs. الدورة الدولية للمضخات الحرارية الجوفية 2002

5. مجموعة عمل ORKUSTOFNUN ، أيسلندا (2001): الإنتاج المستدام للطاقة الحرارية الأرضية - تعريف مقترح. أخبار IGA لا. 43 ، يناير- مارس 2001 ، 1-2

6. Rybach L. ، Sanner B. أنظمة المضخات الحرارية الأرضية - التجربة الأوروبية. مركز GeoHeat الثور. 21/1 ، 2000

7. توفير الطاقة مع مضخات الحرارة السكنية في المناخات الباردة. كتيب ماكسي 08. CADDET ، 1997

8. أتكينسون شايفر L. تحليل المضخة الحرارية لامتصاص الضغط الفردي. أطروحة مقدمة للكلية الأكاديمية. معهد جورجيا للتكنولوجيا ، 2000

9. مورلي ت. المحرك الحراري العكسي كوسيلة لتدفئة المباني ، المهندس 133: 1922

10. فيرون ج. التاريخ و تطورالمضخة الحرارية والتبريد والتكييف. 1978

11. فاسيليف ج. مباني موفرة للطاقة مع أنظمة إمداد حرارة بمضخات حرارية. مجلة ZhKH ، العدد 12 ، 2002

12. مبادئ توجيهية لاستخدام المضخات الحرارية التي تستخدم مصادر الطاقة الثانوية ومصادر الطاقة المتجددة غير التقليدية. Moskomarchitectura. المؤسسة الحكومية الموحدة "نياك" ، 2001

13. مبنى سكني موفر للطاقة في موسكو. ABOK №4 ، 1999

14. فاسيليف ج. مبنى سكني تجريبي موفر للطاقة في منطقة نيكولينو 2 الصغيرة. ABOK №4 ، 2002

تتغير درجة الحرارة مع العمق. سطح الأرض ، بسبب الإمداد غير المتكافئ للحرارة الشمسية ، إما أن يسخن أو يبرد. هذه التقلبات في درجات الحرارة تخترق بشكل سطحي للغاية سمك الأرض. لذلك ، تقلبات يومية على عمق 1 معادة لم يعد يشعر. أما التقلبات السنوية فهي تخترق أعماق مختلفة: في البلدان الدافئة بنسبة 10-15 موفي البلدان ذات الشتاء البارد والصيف الحار حتى 25-30 وحتى 40 م.أعمق من 30-40 مبالفعل في كل مكان على الأرض تظل درجة الحرارة ثابتة. على سبيل المثال ، يُظهر مقياس حرارة تم وضعه في الطابق السفلي من مرصد باريس 11 درجة 85 درجة مئوية طوال الوقت لأكثر من 100 عام.

يتم ملاحظة طبقة ذات درجة حرارة ثابتة في جميع أنحاء العالم وتسمى حزام درجة حرارة ثابتة أو متعادلة. يختلف عمق هذا الحزام تبعًا للظروف المناخية ، وتكون درجة الحرارة مساوية تقريبًا لمتوسط ​​درجة الحرارة السنوية لهذا المكان.

عند التعمق في الأرض تحت طبقة من درجة حرارة ثابتة ، عادة ما يتم ملاحظة زيادة تدريجية في درجة الحرارة. تم ملاحظة هذا لأول مرة من قبل العمال في المناجم العميقة. وقد لوحظ هذا أيضًا عند بناء الأنفاق. لذلك ، على سبيل المثال ، عند بناء نفق Simplon (في جبال الألب) ، ارتفعت درجة الحرارة إلى 60 درجة ، مما خلق صعوبات كبيرة في العمل. لوحظ ارتفاع درجات الحرارة في الآبار العميقة. مثال على ذلك هو بئر تشوخوفسكايا (سيليزيا العليا) ، حيث يقع على عمق 2220 مكانت درجة الحرارة أكثر من 80 درجة (83 درجة ، 1) ، وهكذا. مترتفع درجة الحرارة بمقدار 1 درجة مئوية.

يتم استدعاء عدد الأمتار التي تحتاجها للتعمق في الأرض حتى ترتفع درجة الحرارة بمقدار 1 درجة مئوية خطوة حرارة الأرض.المرحلة الحرارية الجوفية مناسبات مختلفةيختلف وغالبًا ما يتراوح من 30 إلى 35 م.في بعض الحالات ، يمكن أن تكون هذه التقلبات أعلى. على سبيل المثال ، في ولاية ميشيغان (الولايات المتحدة الأمريكية) ، في أحد الآبار الواقعة بالقرب من البحيرة. ميتشيغان ، تبين أن المرحلة الحرارية الأرضية ليست 33 ، ولكن 70 معلى العكس من ذلك ، لوحظت خطوة حرارية أرضية صغيرة جدًا في أحد الآبار في المكسيك ، على عمق 670 مكان هناك ماء بدرجة حرارة 70 درجة. وهكذا ، تبين أن المرحلة الحرارية الأرضية تبلغ حوالي 12 فقط م.كما لوحظت خطوات صغيرة للطاقة الحرارية الأرضية في المناطق البركانية ، حيث قد لا تزال هناك طبقات غير مبردة من الصخور النارية في الأعماق الضحلة. لكن كل هذه الحالات ليست قواعد بقدر ما هي استثناءات.

هناك العديد من الأسباب التي تؤثر على مرحلة الطاقة الحرارية الأرضية. (بالإضافة إلى ما سبق ، يمكن للمرء أن يشير إلى الموصلية الحرارية المختلفة للصخور ، وطبيعة ظهور الطبقات ، إلخ.

أهمية عظيمةفي توزيع درجة الحرارة لديها تضاريس. يمكن رؤية الأخير بوضوح في الرسم المرفق (الشكل 23) ، الذي يصور مقطعًا من جبال الألب على طول خط نفق Simplon ، مع حرارة الأرض مرسومة بخط منقط (أي خطوط درجات حرارة متساوية داخل الأرض). يبدو أن الحرارة الأرضية هنا تكرر الارتياح ، ولكن مع العمق يتناقص تأثير الارتياح تدريجياً. (يرجع الانحناء الهبوطي القوي للحرارة الأرضية في Balle إلى دوران المياه القوي الذي لوحظ هنا).

درجة حرارة الأرض على أعماق كبيرة. ملاحظات على درجات الحرارة في الآبار التي نادراً ما يتجاوز عمقها 2-3 كم،بطبيعة الحال ، لا يمكنهم إعطاء فكرة عن درجات حرارة الطبقات العميقة من الأرض. ولكن هنا تأتي بعض الظواهر من حياة قشرة الأرض لمساعدتنا. البراكين هي إحدى هذه الظواهر. البراكين المنتشرة على سطح الأرض تجلب الحمم المنصهرة إلى سطح الأرض ، حيث تزيد درجة حرارتها عن 1000 درجة. لذلك ، في أعماق كبيرة لدينا درجات حرارة تتجاوز 1000 درجة.

كان هناك وقت حاول فيه العلماء ، على أساس المرحلة الحرارية الأرضية ، حساب العمق الذي يمكن أن تصل فيه درجات الحرارة إلى 1000-2000 درجة. ومع ذلك ، لا يمكن اعتبار مثل هذه الحسابات مدعمة بأدلة كافية. الملاحظات التي تم إجراؤها على درجة حرارة كرة التبريد البازلتية والحسابات النظرية تعطي سببًا للقول إن قيمة درجة حرارة الأرض تزداد مع العمق. ولكن إلى أي مدى وإلى أي عمق تصل هذه الزيادة ، لا يمكننا أن نقول حتى الآن.

إذا افترضنا أن درجة الحرارة تزداد باستمرار مع العمق ، فيجب قياسها في مركز الأرض بعشرات الآلاف من الدرجات. في مثل هذه درجات الحرارة ، يجب أن تتحول كل الصخور المعروفة لنا إلى حالة سائلة. صحيح ، هناك ضغط هائل داخل الأرض ، ولا نعرف شيئًا عن حالة الأجسام عند مثل هذه الضغوط. ومع ذلك ، ليس لدينا بيانات تشير إلى أن درجة الحرارة تزداد باستمرار مع العمق. الآن توصل معظم الجيوفيزيائيين إلى استنتاج مفاده أن درجة الحرارة داخل الأرض لا تكاد تزيد عن 2000 درجة.

مصادر الحرارة. أما بالنسبة لمصادر الحرارة التي تحدد درجة الحرارة الداخلية للأرض ، فيمكن أن تكون مختلفة. بناءً على الفرضيات التي تعتبر أن الأرض تكونت من كتلة حمراء وساخنة منصهرة ، يجب اعتبار الحرارة الداخلية هي الحرارة المتبقية لجسم يذوب من السطح. ومع ذلك ، هناك سبب للاعتقاد بأن سبب ارتفاع درجة الحرارة الداخلية للأرض قد يكون الاضمحلال الإشعاعي لليورانيوم والثوريوم والأكتينورانيوم والبوتاسيوم والعناصر الأخرى الموجودة في الصخور. العناصر المشعة بالنسبة للجزء الاكبرشائعة في الصخور الحمضية للقشرة السطحية للأرض ، وهي أقل شيوعًا في الصخور الأساسية العميقة. في الوقت نفسه ، تكون الصخور الأساسية فيها أكثر ثراءً من النيازك الحديدية ، والتي تعتبر شظايا من الأجزاء الداخلية للأجسام الكونية.

على الرغم من قلة المواد المشعة في الصخور وبطء تحللها ، فإن الكمية الإجمالية للحرارة الناتجة عن التحلل الإشعاعي كبيرة. جيولوجي سوفيتي في جي خلوبينحسبت أن العناصر المشعة الموجودة في غلاف الأرض البالغ طوله 90 كيلومترًا كافية لتغطية فقدان حرارة الكوكب بالإشعاع. جنبا إلى جنب مع الاضمحلال الإشعاعي طاقة حراريةتم إطلاقه أثناء ضغط مادة الأرض ، مع تفاعلات كيميائيةإلخ.

لنمذجة حقول درجة الحرارة ولحسابات أخرى ، من الضروري معرفة درجة حرارة التربة على عمق معين.

يتم قياس درجة حرارة التربة في العمق باستخدام موازين حرارة عادم التربة. هذه دراسات مخططة يتم إجراؤها بانتظام بواسطة محطات الأرصاد الجوية. تعمل بيانات البحث كأساس للأطالس المناخية والتوثيق التنظيمي.

للحصول على درجة حرارة التربة على عمق معين ، يمكنك تجربة اثنين على سبيل المثال طرق بسيطة. تعتمد كلتا الطريقتين على استخدام الأدبيات المرجعية:

1. للحصول على تقدير تقريبي لدرجة الحرارة ، يمكنك استخدام المستند TsPI-22. "معابر السكك الحديدية بواسطة خطوط الأنابيب". هنا ، في إطار منهجية حساب هندسة الحرارة لخطوط الأنابيب ، يتم إعطاء الجدول 1 ، حيث يتم إعطاء درجات حرارة التربة في مناطق مناخية معينة اعتمادًا على عمق القياس. أقدم هذا الجدول أدناه.

الجدول 1

1. جدول درجات حرارة التربة على اعماق مختلفة من المصدر "لمساعدة العامل صناعة الغاز»حتى في أوقات الاتحاد السوفياتي

أعماق التجميد المعيارية لبعض المدن:

يعتمد عمق تجميد التربة على نوع التربة:

أعتقد أن الخيار الأسهل هو استخدام البيانات المرجعية أعلاه ثم إقحامها.

الخيار الأكثر موثوقية لإجراء حسابات دقيقة باستخدام درجات حرارة الأرض هو استخدام البيانات من خدمات الأرصاد الجوية. على أساس خدمات الأرصاد الجوية ، تعمل بعض الأدلة عبر الإنترنت. على سبيل المثال ، http://www.atlas-yakutia.ru/.

هنا يكفي تحديد المستوطنة ونوع التربة ويمكنك الحصول على خريطة درجة حرارة التربة أو بياناتها في شكل جدول. من حيث المبدأ ، إنه مناسب ، لكن يبدو أن هذا المورد يتم دفعه.

إذا كنت تعرف المزيد من الطرق لتحديد درجة حرارة التربة على عمق معين ، فيرجى كتابة التعليقات.

قد تكون مهتمًا بالمواد التالية:

هنا تنشر ديناميات التغيرات في الشتاء (2012-13) درجات حرارة الأرض على عمق 130 سم تحت المنزل (تحت الحافة الداخلية للمؤسسة) ، وكذلك على مستوى الأرض ودرجة حرارة المياه القادمة من نحن سوف. كل هذا - على الناهض قادم من البئر.
الرسم البياني في الجزء السفلي من المقال.
داشا (على حدود موسكو الجديدة ومنطقة كالوغا) شتاء ، زيارات دورية (2-4 مرات في الشهر لبضعة أيام).
المنطقة العمياء والطابق السفلي للمنزل غير معزولين ، فمنذ الخريف تم إغلاقهما بسدادات عازلة للحرارة (10 سم من الفوم). تغير فقدان حرارة الشرفة الأرضية حيث يذهب الناهض في يناير. انظر الملاحظة 10.
تم إجراء القياسات على عمق 130 سم بواسطة نظام Xital GSM () ، منفصل - 0.5 * C ، أضف. الخطأ حوالي 0.3 * ج.
يتم تثبيت المستشعر في أنبوب HDPE 20 مم ملحوم من أسفل بالقرب من الناهض ، (مع الخارجالعزل الحراري للناهض ، ولكن داخل الأنبوب 110 مم).
يُظهر الإحداثي التواريخ ، بينما يُظهر الإحداثي درجات الحرارة.
ملاحظة 1:
سأراقب أيضًا درجة حرارة الماء في البئر ، وكذلك على مستوى الأرض تحت المنزل ، مباشرة على الناهض بدون ماء ، ولكن فقط عند الوصول. الخطأ حوالي + -0.6 * C.
ملاحظة 2:
درجة حرارة على مستوى الأرضتحت المنزل ، عند مصاعد إمداد المياه ، في حالة عدم وجود الناس والمياه ، انخفض بالفعل إلى 5 * درجة مئوية تحت الصفر. هذا يشير إلى أنني لم أصنع النظام عبثًا - بالمناسبة ، منظم الحرارة الذي أظهر -5 * C هو فقط من هذا النظام (RT-12-16).
ملاحظة 3:
يتم قياس درجة حرارة الماء "في البئر" بواسطة نفس المستشعر (موجود أيضًا في الملاحظة 2) على أنه "على مستوى الأرض" - فهو يقف مباشرة على الناهض تحت العزل الحراري ، بالقرب من الناهض عند مستوى الأرض. يتم إجراء هذين القياسين في أوقات مختلفة. "على مستوى الأرض" - قبل ضخ المياه في الصاعد و "في البئر" - بعد ضخ حوالي 50 لترًا لمدة نصف ساعة مع انقطاع.
ملاحظة 4:
يمكن التقليل إلى حد ما من درجة حرارة الماء في البئر ، لأن. لا يمكنني البحث عن هذا الخط المقارب اللعين ، وأضخ المياه إلى ما لا نهاية (لي) ... ألعب بأفضل ما أستطيع.
الملاحظة 5: غير ملائم ، محذوف.
ملاحظة 6:
خطأ في التثبيت درجة الحرارة الخارجيةتقريبًا + - (3-7) * ج.
ملاحظة 7:
يبلغ معدل تبريد الماء على مستوى الأرض (بدون تشغيل المضخة) تقريبًا ما يقرب من 1-2 درجة مئوية في الساعة (هذا عند سالب 5 * درجة مئوية على مستوى الأرض).
ملاحظة 8:
لقد نسيت أن أصف كيف يتم ترتيب وعزل الناهض تحت الأرض. يتم وضع اثنين من الجوارب العازلة على PND-32 في المجموع - 2 سم. سمك (على ما يبدو ، البولي إيثيلين الرغوي) ، يتم إدخال كل هذا في أنبوب مجاري 110 مم ويتم تربيته هناك على عمق 130 سم. صحيح ، نظرًا لأن PND-32 لم يدخل في وسط الأنبوب 110 ، وكذلك حقيقة أن كتلة الرغوة العادية في منتصفها قد لا تصلب لفترة طويلة ، مما يعني أنها لا تتحول إلى سخان ، أنا بقوة شك في جودة هذا العزل الإضافي .. ربما يكون من الأفضل استخدام رغوة مكونة من عنصرين ، اكتشفت وجودها لاحقًا ...
الملاحظة 9:
أود أن ألفت انتباه القراء إلى قياس درجة الحرارة "على مستوى الأرض" بتاريخ 2013/12/01. بتاريخ 18 يناير 2013. هنا ، في رأيي ، قيمة +0.3 * C أعلى بكثير من المتوقع. وأعتقد أن ذلك جاء نتيجة لعملية "ملء السرداب عند الناهض بالثلج" بتاريخ 31/12/2012.
الملاحظة 10:
من 12 يناير إلى 3 فبراير ، قام بعمل عزل إضافي للشرفة ، حيث يذهب الناهض تحت الأرض.
نتيجة لذلك ، وفقًا للتقديرات التقريبية ، تم تقليل فقد الحرارة في الشرفة الأرضية من 100 واط / متر مربع. الأرضية إلى حوالي 50 (هذا عند سالب 20 * درجة مئوية في الشارع).
ينعكس هذا أيضًا في الرسوم البيانية. شاهد درجة الحرارة على مستوى سطح الأرض في 9 فبراير: + 1.4 * درجة مئوية وفي 16 فبراير: +1.1 - لم تكن هناك درجات حرارة عالية منذ بداية الشتاء الحقيقي.
وشيء آخر: من 4 فبراير إلى 16 فبراير ، لأول مرة في فصلين شتويين ، من الأحد إلى الجمعة ، لم يتم تشغيل المرجل للحفاظ على الحد الأدنى لدرجة الحرارة المحددة لأنه لم يصل إلى هذا الحد الأدنى ...
الملاحظة 11:
كما وعدت (من أجل "النظام" وإكمال الدورة السنوية) ، سأقوم بنشر درجات الحرارة بشكل دوري في الصيف. لكن - ليس في الجدول الزمني ، حتى لا "تحجب" الشتاء ، ولكن هنا ، في الملاحظة 11.
11 مايو 2013
بعد 3 أسابيع من التهوية ، تم إغلاق الفتحات حتى الخريف لتجنب التكثف.
13 مايو 2013(في الشارع لمدة أسبوع + 25-30 * ج):
- تحت المنزل على مستوى الأرض + 10.5 * س ،
- تحت المنزل على عمق 130 سم. + 6 * درجة مئوية ،

12 يونيو 2013:
- تحت المنزل على مستوى الأرض + 14.5 * درجة مئوية ،
- تحت المنزل على عمق 130 سم. + 10 * درجة مئوية.
- الماء في البئر من عمق 25 م لا يزيد عن +8 * درجة مئوية.
26 يونيو 2013:
- تحت المنزل على مستوى الأرض + 16 * ج ،
- تحت المنزل على عمق 130 سم. + 11 * ج.
- مياه البئر من عمق 25 م لا تزيد عن + 9.3 * درجة مئوية.
19 أغسطس 2013:
- تحت المنزل على مستوى الأرض + 15.5 * درجة مئوية ،
- تحت المنزل على عمق 130 سم. + 13.5 * درجة مئوية.
- الماء في البئر من عمق 25 م لا يزيد عن + 9.0 * درجة مئوية.
28 سبتمبر 2013:
- تحت المنزل على مستوى الأرض + 10.3 * درجة مئوية ،
- تحت المنزل على عمق 130 سم. + 12 * ج.
- مياه البئر من عمق 25 م = + 8.0 * درجة مئوية.
26 أكتوبر 2013:
- تحت المنزل في مستوى الأرض + 8.5 * درجة مئوية ،
- تحت المنزل على عمق 130 سم. + 9.5 * درجة مئوية.
- الماء في البئر من عمق 25 م لا يزيد عن + 7.5 * درجة مئوية.
16 نوفمبر 2013:
- تحت المنزل على مستوى الأرض + 7.5 * درجة مئوية ،
- تحت المنزل على عمق 130 سم. + 9.0 * ج.
- مياه البئر من عمق 25 م + 7.5 * درجة مئوية.
20 فبراير 2014:
ربما يكون هذا هو الإدخال الأخير في هذه المقالة.
نعيش طوال فصل الشتاء في المنزل طوال الوقت ، والهدف من تكرار قياسات العام الماضي ضئيل ، لذلك هناك رقمان مهمان فقط:
- درجة الحرارة الدنيا تحت المنزل على مستوى الأرض في الصقيع الشديد (-20 - -30 * درجة مئوية) بعد أسبوع من بدايتها ، انخفضت بشكل متكرر إلى أقل من + 0.5 * درجة مئوية. في هذه اللحظات عملت

واحدة من أفضل الطرق العقلانية في بناء الصوبات الزراعية الكبيرة هي صوبة حرارية تحت الأرض.
إن استخدام هذه الحقيقة المتمثلة في ثبات درجة حرارة الأرض على العمق في بناء دفيئة يوفر وفورات هائلة في تكاليف التدفئة في موسم البرد ، ويسهل الرعاية ، ويجعل المناخ المحلي أكثر استقرارًا.
تعمل مثل هذه الدفيئة في أقسى الصقيع ، وتتيح لك إنتاج الخضروات وزراعة الزهور على مدار السنة.
إن الدفيئة المدفونة المجهزة بشكل صحيح تجعل من الممكن ، من بين أمور أخرى ، زراعة المحاصيل الجنوبية المحبة للحرارة. عمليا لا توجد قيود. يمكن أن تشعر ثمار الحمضيات وحتى الأناناس بشعور رائع في الدفيئة.
ولكن لكي يعمل كل شيء بشكل صحيح في الممارسة العملية ، من الضروري اتباع التقنيات التي تم اختبارها بمرور الوقت والتي تم من خلالها بناء الدفيئات الزراعية تحت الأرض. بعد كل شيء ، هذه الفكرة ليست جديدة ، حتى في ظل القيصر في روسيا ، كانت الدفيئات الزراعية المدفونة تنتج محاصيل الأناناس ، والتي قام التجار المغامرون بتصديرها إلى أوروبا للبيع.
لسبب ما ، لم يتم توزيع مثل هذه البيوت الزجاجية على نطاق واسع في بلدنا ، بشكل عام ، تم نسيانها ببساطة ، على الرغم من أن التصميم مثالي لمناخنا فقط.
ربما لعبت الحاجة إلى حفر حفرة عميقة وصب الأساس دورًا هنا. بناء دفيئة مدفونة مكلف للغاية ، فهي بعيدة كل البعد عن دفيئة مغطاة بالبولي إيثيلين ، لكن العائد على الدفيئة أكبر بكثير.
من التعمق في الأرض ، لا تضيع الإضاءة الداخلية الكلية ، وقد يبدو هذا غريبًا ، ولكن في بعض الحالات يكون تشبع الضوء أعلى من تشبع الدفيئات الزراعية الكلاسيكية.
من المستحيل عدم ذكر قوة وموثوقية الهيكل ، فهو أقوى بما لا يقاس من المعتاد ، ومن الأسهل تحمل هبوب رياح الأعاصير ، ويقاوم البرد جيدًا ، ولن يصبح انسداد الثلج عائقًا.

1. حفرة

يبدأ إنشاء دفيئة بحفر حفرة الأساس. لاستخدام حرارة الأرض لتسخين الحجم الداخلي ، يجب تعميق الدفيئة بدرجة كافية. كلما ازداد عمق الأرض ازدادت دفئًا.
لا تتغير درجة الحرارة تقريبًا خلال العام على مسافة 2-2.5 متر من السطح. على عمق متر واحد ، تتقلب درجة حرارة الأرض أكثر ، لكن في الشتاء تظل قيمتها إيجابية ، عادةً في الممر الأوسطدرجة الحرارة 4-10 درجة مئوية ، حسب الموسم.
دفيئة مدفونة تُبنى في موسم واحد. أي أنه في فصل الشتاء سيكون قادرًا بالفعل على العمل وتوليد الدخل. البناء ليس رخيصًا ، ولكن باستخدام البراعة والمواد التوفيقية ، من الممكن توفير ترتيب من حيث الحجم فعليًا عن طريق إنشاء نوع من خيار الاقتصاد لبيت زجاجي ، بدءًا من حفرة الأساس.
على سبيل المثال ، يمكنك الاستغناء عن استخدام معدات البناء. على الرغم من أن الجزء الأكثر استهلاكا للوقت من العمل - حفر حفرة - هو بالطبع أفضل للحفار. إن إزالة مثل هذا الحجم من الأرض يدويًا أمر صعب ويستغرق وقتًا طويلاً.
يجب ألا يقل عمق الحفرة عن مترين. في مثل هذا العمق ، ستبدأ الأرض في تقاسم حرارتها والعمل كنوع من الترمس. إذا كان العمق أقل ، فستنجح الفكرة من حيث المبدأ ، ولكن بشكل ملحوظ أقل كفاءة. لذلك ، يوصى بعدم ادخار أي جهد ومال لتعميق الدفيئة المستقبلية.
يمكن أن تكون الصوبات الزراعية تحت الأرض بأي طول ، ولكن من الأفضل الحفاظ على العرض في حدود 5 أمتار ، إذا كان العرض أكبر ، فإن خصائص الجودة للتدفئة وانعكاس الضوء تتدهور.
على جانبي الأفق ، يجب توجيه البيوت البلاستيكية تحت الأرض ، مثل الصوبات الزراعية العادية والصوبات الزراعية ، من الشرق إلى الغرب ، أي بحيث يواجه أحد الجانبين الجنوب. في هذا الوضع ، ستتلقى النباتات أقصى قدر من الطاقة الشمسية.

2. الجدران والسقف

على طول محيط الحفرة ، يتم صب الأساس أو وضع الكتل. يعمل الأساس كأساس للجدران وإطار الهيكل. من الأفضل أن تكون الجدران مصنوعة من مواد جيدة خصائص العزل الحراري، خيار جيد - الكتل الحرارية.

غالبًا ما يكون إطار السقف مصنوعًا من الخشب ، من قضبان مشربة بعوامل مطهرة. عادة ما يكون هيكل السقف عبارة عن الجملون المستقيم. إصلاح في وسط الهيكل شعاع ريدج، لهذا الغرض ، يتم تثبيت الدعامات المركزية على الأرض بطول كامل الدفيئة.

ترتبط شعاع التلال والجدران بصف من العوارض الخشبية. يمكن صنع الإطار بدون دعامات عالية. يتم استبدالها بأخرى صغيرة ، يتم وضعها على عوارض عرضية تربط جوانب متقابلة من الدفيئة - هذا التصميم يصنعه مساحة داخليةأكثر حرية.

من الأفضل أن تأخذ غطاء السقف البولي الخلوي- جمع مادة حديثة. يتم ضبط المسافة بين العوارض الخشبية أثناء البناء على عرض ألواح البولي كربونات. إنه مناسب للعمل مع المواد. يتم الحصول على الطلاء بعدد صغير من الوصلات ، حيث يتم إنتاج الألواح بأطوال 12 مترًا.

يتم إرفاقها بالإطار بمسامير ذاتية التنصت ، من الأفضل اختيارها بغطاء على شكل غسالة. لتجنب تكسير الصفيحة ، يجب حفر ثقب بالقطر المناسب تحت كل برغي ذاتي التنصت باستخدام مثقاب. باستخدام مفك البراغي ، أو المثقاب التقليدي بمثقاب فيليبس ، يتحرك عمل التزجيج بسرعة كبيرة. من أجل تجنب الفجوات ، من الجيد وضع العوارض الخشبية على طول الجزء العلوي باستخدام مادة مانعة للتسرب مصنوعة من لينة من المطاطأو غيرها من المواد المناسبة وبعد ذلك فقط برغي الأوراق. يجب وضع قمة السقف على طول الحافة بعزل ناعم والضغط عليها بنوع من الزاوية: بلاستيك أو قصدير أو مادة أخرى مناسبة.

للحصول على عزل حراري جيد ، يصنع السقف أحيانًا بطبقة مزدوجة من البولي كربونات. على الرغم من انخفاض الشفافية بنحو 10٪ ، إلا أن هذا يتم تغطيته بأداء عزل حراري ممتاز. وتجدر الإشارة إلى أن الثلج على هذا السقف لا يذوب. لذلك ، يجب أن يكون المنحدر بزاوية كافية ، على الأقل 30 درجة ، حتى لا يتراكم الثلج على السطح. بالإضافة إلى ذلك ، يتم تركيب هزاز كهربائي للاهتزاز ، وسوف يحافظ على السقف في حالة استمرار تراكم الثلج.

يتم عمل الزجاج المزدوج بطريقتين:

يتم إدخال ملف تعريف خاص بين ورقتين ، يتم إرفاق الأوراق بالإطار من الأعلى ؛

أولاً ، يتم توصيل الطبقة السفلية من الزجاج بالإطار من الداخل إلى الجانب السفلي من العوارض الخشبية. السقف مغطى بالطبقة الثانية كالعادة من الأعلى.

بعد الانتهاء من العمل ، من المستحسن لصق جميع الوصلات بشريط لاصق. سقف منتهيتبدو رائعة للغاية: بدون مفاصل غير ضرورية ، ناعمة ، بدون أجزاء بارزة.

3. الاحترار والتدفئة

يتم عزل الجدار على النحو التالي. تحتاج أولاً إلى تغطية جميع مفاصل ودرزات الجدار بعناية بمحلول ، وهنا يمكنك أيضًا استخدام رغوة التركيب. الجهة الداخليةالجدران مغطاة بغشاء عازل للحرارة.

في المناطق الباردة من البلاد ، من الجيد استخدام رقائق سميكة تغطي الجدار بطبقة مزدوجة.

تكون درجة الحرارة في عمق تربة الدفيئة فوق الصفر ، ولكنها أبرد من درجة حرارة الهواء اللازمة لنمو النبات. يتم تدفئة الطبقة العليا بواسطة أشعة الشمس وهواء الدفيئة ، ولكن لا تزال التربة تزيل الحرارة ، لذلك غالبًا في البيوت الزجاجية تحت الأرض يستخدمون تقنية "الأرضيات الدافئة": عنصر التسخين - كابل كهربائي - محمي بواسطة شواية معدنية أو سكب بالخرسانة.

في الحالة الثانية ، تُسكب تربة الأسرة فوق الخرسانة أو تُزرع الخضر في الأواني وأواني الزهور.

يمكن أن يكون استخدام التدفئة تحت الأرضية كافياً لتدفئة الدفيئة بأكملها إذا كان هناك طاقة كافية. ولكنه أكثر كفاءة وراحة للنباتات لاستخدام التدفئة المشتركة: التدفئة تحت الأرضية + تدفئة الهواء. للنمو الجيد ، يحتاجون إلى درجة حرارة هواء تتراوح من 25 إلى 35 درجة عند درجة حرارة الأرض حوالي 25 درجة مئوية.

خاتمة

بالطبع ، سيكلف بناء دفيئة مدفونة أكثر ، وستكون هناك حاجة إلى مزيد من الجهد مقارنة ببناء دفيئة مماثلة ذات تصميم تقليدي. لكن الأموال المستثمرة في ترمس الدفيئة لها ما يبررها بمرور الوقت.

أولاً ، يوفر الطاقة عند التسخين. بغض النظر عن كيفية تسخين الدفيئة الأرضية العادية في الشتاء ، فستكون دائمًا أكثر تكلفة وأصعب من طريقة تدفئة مماثلة في دفيئة تحت الأرض. ثانياً ، التوفير في الإضاءة. يضاعف العزل الحراري للجدران ، الذي يعكس الضوء ، الإضاءة. سيكون المناخ المحلي في دفيئة متعمقة في الشتاء أكثر ملاءمة للنباتات ، مما سيؤثر بالتأكيد على المحصول. سوف تتجذر الشتلات بسهولة ، وستشعر النباتات الطرية بشعور رائع. يضمن هذا الدفيئة عائدًا ثابتًا وعاليًا لأي نباتات على مدار السنة.