Sưởi ấm từ tâm trái đất. Trạng thái nhiệt của các bộ phận bên trong quả địa cầu

"Sử dụng năng lượng nhiệt tiềm năng thấp của trái đất trong hệ thống bơm nhiệt"

Vasiliev G.P., Giám đốc Khoa học của INSOLAR-INVEST OJSC, Tiến sĩ Khoa học Kỹ thuật, Chủ tịch Hội đồng quản trị của INSOLAR-INVEST OJSC
N. V. Shilkin, kỹ sư, NIISF (Moscow)


Sử dụng hợp lý nhiên liệu nguồn năng lượng ngày nay là một trong những vấn đề toàn cầu của thế giới, giải pháp thành công, rõ ràng, sẽ có tầm quan trọng quyết định không chỉ đối với sự phát triển hơn nữa của cộng đồng thế giới, mà còn đối với việc bảo tồn môi trường sống của nó. Một trong những cách đầy hứa hẹn để giải quyết vấn đề này là ứng dụng công nghệ tiết kiệm năng lượng mới sử dụng các nguồn năng lượng tái tạo phi truyền thống (NRES) Việc cạn kiệt các nhiên liệu hóa thạch truyền thống và các hậu quả môi trường do quá trình đốt cháy chúng đã dẫn đến sự gia tăng đáng kể mối quan tâm đến các công nghệ này trong những thập kỷ gần đây ở hầu hết các nước phát triển trên thế giới.

Lợi thế của các công nghệ cung cấp nhiệt sử dụng so với các công nghệ truyền thống của chúng không chỉ liên quan đến việc giảm đáng kể chi phí năng lượng trong các hệ thống hỗ trợ sự sống của các tòa nhà và cấu trúc, mà còn với môi trường sạch sẽ, cũng như các cơ hội mới trong lĩnh vực này tăng mức độ tự chủ của các hệ thống hỗ trợ sự sống. Rõ ràng, trong tương lai gần, chính những phẩm chất này sẽ có tầm quan trọng quyết định trong việc định hình tình hình cạnh tranh trên thị trường thiết bị tạo nhiệt.

Phân tích các lĩnh vực có thể áp dụng trong nền kinh tế Nga của các công nghệ tiết kiệm năng lượng bằng cách sử dụng nguồn năng lượng phi truyền thống, cho thấy ở Nga, lĩnh vực hứa hẹn nhất để thực hiện chúng là hệ thống hỗ trợ sự sống của các tòa nhà. Đồng thời, một hướng rất hiệu quả để đưa các công nghệ đang được xem xét vào thực tiễn xây dựng trong nước dường như là ứng dụng rộng rãi hệ thống cung cấp nhiệt bơm nhiệt (TST), sử dụng đất của các lớp bề mặt của Trái đất như một nguồn nhiệt tiềm năng thấp có sẵn ở khắp mọi nơi.

Sử dụng Sức nóng của trái đất Có hai dạng nhiệt năng - thế năng cao và thế năng thấp. Nguồn năng lượng nhiệt tiềm năng cao là tài nguyên nhiệt dịch - nước nóngđược nung nóng do kết quả của các quá trình địa chất đến nhiệt độ cao, cho phép chúng được sử dụng để sưởi ấm các tòa nhà. Tuy nhiên, việc sử dụng nhiệt tiềm năng cao của Trái đất chỉ giới hạn ở những khu vực có các thông số địa chất nhất định. Ví dụ ở Nga, đây là Kamchatka, vùng nước khoáng Caucasian; ở châu Âu, có các nguồn nhiệt tiềm năng cao ở Hungary, Iceland và Pháp.

Ngược lại với việc sử dụng "trực tiếp" nhiệt tiềm năng cao (tài nguyên nhiệt dịch), sử dụng nhiệt cấp thấp của Trái đất thông qua máy bơm nhiệt là có thể hầu như ở khắp mọi nơi. Nó hiện là một trong những lĩnh vực sử dụng phát triển nhanh nhất nguồn năng lượng tái tạo phi truyền thống.

Sức nóng tiềm năng thấp của Trái đất có thể được sử dụng trong các loại tòa nhà và cấu trúc theo nhiều cách: để sưởi ấm, cung cấp nước nóng, điều hòa không khí (làm mát), sưởi ấm đường dẫn vào mùa đông, để chống đóng băng, sưởi ấm các sân vận động mở, v.v. Bằng tiếng Anh- tài liệu kỹ thuật ngôn ngữ, các hệ thống như vậy được chỉ định là "GHP" - "máy bơm nhiệt địa nhiệt", máy bơm nhiệt địa nhiệt.

Đặc điểm khí hậu của các nước Trung và Bắc Âu, cùng với Hoa Kỳ và Canada, là những khu vực sử dụng nhiệt cấp thấp của Trái đất, chủ yếu quyết định nhu cầu sưởi ấm; Việc làm mát không khí, ngay cả trong mùa hè, tương đối hiếm khi được yêu cầu. Do đó, không giống như Hoa Kỳ, máy bơm nhiệtở các nước Châu Âu chúng hoạt động chủ yếu ở chế độ sưởi ấm. Ở MỸ máy bơm nhiệt thường được sử dụng trong các hệ thống sưởi ấm không khí kết hợp với thông gió, cho phép vừa sưởi ấm vừa làm mát không khí bên ngoài. Ở các nước Châu Âu máy bơm nhiệt thường được sử dụng trong hệ thống đun nước nóng. Vì hiệu quả bơm nhiệt tăng khi giảm chênh lệch nhiệt độ giữa dàn bay hơi và dàn ngưng, hệ thống sưởi sàn thường được sử dụng để sưởi ấm các tòa nhà, trong đó chất làm mát có nhiệt độ tương đối thấp (35–40 ° C) lưu thông.

Số đông máy bơm nhiệtở Châu Âu, được thiết kế để sử dụng nhiệt độ thấp của Trái đất, được trang bị máy nén chạy bằng điện.

Trong mười năm qua, số lượng các hệ thống sử dụng nhiệt cấp thấp của Trái đất để cung cấp nhiệt và lạnh cho các tòa nhà thông qua máy bơm nhiệt, tăng đáng kể. Số lượng lớn nhất các hệ thống như vậy được sử dụng ở Hoa Kỳ. Một số lượng lớn các hệ thống như vậy hoạt động ở Canada và các quốc gia ở Trung và Bắc Âu: Áo, Đức, Thụy Điển và Thụy Sĩ. Thụy Sĩ dẫn đầu trong việc sử dụng năng lượng nhiệt thấp của Trái đất trên đầu người. Ở Nga, trong hơn mười năm qua, sử dụng công nghệ và với sự tham gia của INSOLAR-INVEST OJSC, công ty chuyên về lĩnh vực này, chỉ có một số đối tượng được chế tạo, trong đó thú vị nhất được trình bày.

Trên thực tế, ở Moscow, trong tiểu khu Nikulino-2, lần đầu tiên, một hệ thống bơm nhiệt nước nóng nhà ở nhiều tầng. Dự án này được thực hiện trong năm 1998-2002 bởi Bộ Quốc phòng Liên bang Nga cùng với Chính phủ Matxcova, Bộ Công nghiệp và Khoa học Nga, Hiệp hội NP ABOK và trong khuôn khổ "Chương trình tiết kiệm năng lượng dài hạn ở Moscow".

Là một nguồn năng lượng nhiệt tiềm năng thấp cho các thiết bị bay hơi của máy bơm nhiệt, nhiệt của đất của các lớp bề mặt của Trái đất, cũng như nhiệt của không khí thông gió đã được loại bỏ, được sử dụng. Nhà máy pha chế nước nóng được đặt ở tầng hầm của tòa nhà. Nó bao gồm các yếu tố chính sau:

  • lắp đặt máy bơm nhiệt nén hơi (HPU);
  • bể chứa nước nóng;
  • hệ thống thu nhiệt năng cấp thấp của đất và nhiệt cấp thấp của không khí thông gió loại bỏ;
  • máy bơm tuần hoàn, thiết bị đo đạc

Phần tử trao đổi nhiệt chính của hệ thống thu nhiệt mặt đất cấp thấp là các bộ trao đổi nhiệt mặt đất đồng trục thẳng đứng được đặt bên ngoài dọc theo chu vi của tòa nhà. Các thiết bị trao đổi nhiệt này là 8 giếng với độ sâu mỗi giếng từ 32 đến 35 m, được bố trí gần nhà. Kể từ khi chế độ hoạt động của máy bơm nhiệt sử dụng hơi ấm của trái đất và nhiệt của không khí được loại bỏ là không đổi, trong khi lượng nước nóng tiêu thụ là thay đổi, hệ thống cung cấp nước nóng được trang bị các bồn chứa.

Dữ liệu ước tính mức độ sử dụng năng lượng nhiệt tiềm năng thấp của Trái đất trên thế giới bằng máy bơm nhiệt được đưa ra trong bảng.

Bảng 1. Mức độ sử dụng nhiệt năng tiềm năng thấp của Trái đất thông qua máy bơm nhiệt trên thế giới

Đất như một nguồn năng lượng nhiệt tiềm năng thấp

Là một nguồn năng lượng nhiệt tiềm năng thấp, có thể sử dụng nước ngầm có nhiệt độ tương đối thấp hoặc lớp đất ở bề mặt (sâu đến 400 m) của Trái đất.. Hàm lượng nhiệt của khối đất nói chung cao hơn. Chế độ nhiệt của đất ở các lớp bề mặt của Trái đất được hình thành dưới tác động của hai yếu tố chính - sự cố trên bề mặt bức xạ năng lượng mặt trời và luồng nhiệt phóng xạ từ bên trong trái đất. Sự thay đổi theo mùa và hàng ngày về cường độ bức xạ mặt trời và nhiệt độ ngoài trời gây ra biến động nhiệt độ lớp trênđất. Độ sâu của sự xâm nhập của các dao động hàng ngày về nhiệt độ của không khí bên ngoài và cường độ của bức xạ mặt trời tới, tùy thuộc vào đất cụ thể- điều kiện khí hậu dao động từ vài chục cm đến một mét rưỡi. Theo quy luật, độ sâu của sự biến động theo mùa của nhiệt độ không khí bên ngoài và cường độ của bức xạ mặt trời tới không vượt quá 15–20 m.

Chế độ nhiệt độ của các lớp đất nằm dưới độ sâu này (“vùng trung tính”) được hình thành dưới ảnh hưởng của năng lượng nhiệt đến từ ruột Trái đất và thực tế không phụ thuộc vào mùa, và thậm chí còn thay đổi hàng ngày các thông số của khí hậu ngoài trời (Hình 1).

Cơm. 1. Biểu đồ thay đổi nhiệt độ đất tùy theo độ sâu


Với độ sâu ngày càng tăng, nhiệt độ của đất tăng theo độ dốc địa nhiệt (khoảng 3 độ C cho mỗi 100 m). Độ lớn của dòng nhiệt sinh ra từ ruột trái đất khác nhau ở các địa phương khác nhau. Vì Trung tâm châu Âu giá trị này là 0,05–0,12 W / m2.

Trong thời gian vận hành, khối đất nằm trong vùng ảnh hưởng nhiệt của thanh ghi các đường ống của bộ trao đổi nhiệt đất của hệ thống thu nhiệt đất cấp thấp (hệ thống thu nhiệt), do các thông số của hệ thống thu nhiệt thay đổi theo mùa. Khí hậu ngoài trời, cũng như dưới ảnh hưởng của tải trọng vận hành lên hệ thống thu nhiệt, theo quy luật, phải chịu sự đóng băng và rã đông lặp đi lặp lại. Đồng thời, tự nhiên, có một sự thay đổi trạng thái tổng hợpđộ ẩm chứa trong các lỗ rỗng của đất và nằm trong trường hợp chung cả ở thể lỏng, đồng thời ở pha rắn và pha khí. Nói cách khác, khối đất của hệ thống thu nhiệt, bất kể nó đang ở trạng thái nào (đông lạnh hay tan băng), là một hệ không đồng nhất ba pha phức tạp, bộ xương của nó được hình thành bởi một số lượng lớn các hạt rắn của nhiều hình dạng và kích thước khác nhau và có thể vừa cứng vừa di động, tùy thuộc vào việc các hạt được liên kết chặt chẽ với nhau hay chúng được tách ra khỏi nhau bởi một chất trong pha động. Các kẽ hở giữa các hạt rắn có thể chứa đầy hơi ẩm khoáng, khí, hơi nước và băng, hoặc cả hai. Việc mô hình hóa các quá trình truyền nhiệt và khối lượng tạo thành chế độ nhiệt của một hệ đa thành phần như vậy là vô cùng khó khăn. nhiệm vụ khó khăn, vì nó đòi hỏi phải tính đến và mô tả toán học về các cơ chế khác nhau để thực hiện chúng: dẫn nhiệt trong một hạt đơn lẻ, truyền nhiệt từ hạt này sang hạt khác khi chúng tiếp xúc, dẫn nhiệt phân tử trong môi trường lấp đầy khoảng trống giữa các hạt, sự đối lưu của hơi và hơi ẩm có trong không gian lỗ chân lông, và nhiều loại khác.

Cần đặc biệt chú ý đến ảnh hưởng của độ ẩm khối đất và sự di chuyển độ ẩm trong không gian lỗ rỗng của nó đối với các quá trình nhiệt xác định các đặc tính của đất như một nguồn năng lượng nhiệt tiềm năng thấp.

Trong hệ thống xốp mao quản, là khối đất của hệ thống thu nhiệt, sự hiện diện của hơi ẩm trong không gian lỗ xốp có ảnh hưởng đáng kể đến quá trình phân phối nhiệt. Việc tính toán đúng ảnh hưởng này ngày nay có liên quan đến những khó khăn đáng kể, chủ yếu liên quan đến việc thiếu ý tưởng rõ ràng về bản chất của sự phân bố các pha rắn, lỏng và khí của độ ẩm trong một cấu trúc cụ thể của hệ thống. Bản chất của các lực liên kết ẩm với các hạt xương, sự phụ thuộc của các dạng liên kết ẩm với vật liệu ở các giai đoạn làm ẩm khác nhau, và cơ chế chuyển động của ẩm trong không gian lỗ vẫn chưa được làm sáng tỏ.

Nếu có một gradient nhiệt độ trong chiều dày của khối đất, các phân tử hơi di chuyển đến những nơi có thế nhiệt độ giảm, nhưng đồng thời, dưới tác dụng của lực hấp dẫn, dòng ẩm trong pha lỏng xảy ra theo hướng ngược lại. . Ngoài ra, chế độ nhiệt độ của các lớp trên của đất bị ảnh hưởng bởi độ ẩm của lượng mưa trong khí quyển, cũng như nước ngầm.

Các yếu tố chính dưới ảnh hưởng của nó được hình thành chế độ nhiệt độ Hệ thống thu gom khối lượng đất đối với nhiệt lượng đất tiềm năng thấp được thể hiện trong hình. 2.

Cơm. 2. Các nhân tố chịu ảnh hưởng của chế độ nhiệt độ của đất

Các loại hệ thống sử dụng năng lượng nhiệt tiềm năng thấp của Trái đất

Bộ trao đổi nhiệt nối đất kết nối thiết bị bơm nhiệt với khối lượng đất. Ngoài việc "trích xuất" nhiệt của Trái đất, các thiết bị trao đổi nhiệt trên mặt đất cũng có thể được sử dụng để tích tụ nhiệt (hoặc lạnh) trong khối đất.

Trong trường hợp chung, có thể phân biệt hai loại hệ thống sử dụng năng lượng nhiệt tiềm năng thấp của Trái đất.:

  • hệ thống mở: như một nguồn năng lượng nhiệt tiềm năng thấp, nước ngầm được sử dụng, được cung cấp trực tiếp cho các máy bơm nhiệt;
  • hệ thống khép kín: bộ trao đổi nhiệt được đặt trong khối đất; khi chất làm mát lưu thông qua chúng với nhiệt độ hạ thấp so với mặt đất, năng lượng nhiệt được “chọn lọc” từ mặt đất và chuyển đến thiết bị bay hơi bơm nhiệt (hoặc, khi sử dụng chất làm mát có nhiệt độ cao so với mặt đất, làm mát nó).

Phần chính của hệ thống mở là các giếng cho phép khai thác nước ngầm từ tầng chứa nướcđất và đưa nước trở lại các tầng chứa nước như cũ. Thông thường các giếng ghép nối được bố trí cho việc này. Sơ đồ của một hệ thống như vậy được hiển thị trong hình. 3.

Cơm. 3. Sơ đồ hệ thống mở để sử dụng năng lượng nhiệt tiềm năng thấp của nước ngầm


Ưu điểm của hệ thống mở là khả năng thu được một lượng lớn nhiệt năng với chi phí tương đối thấp. Tuy nhiên, giếng cần được bảo trì. Ngoài ra, việc sử dụng các hệ thống như vậy là không thể trong tất cả các lĩnh vực. Các yêu cầu chính đối với đất và nước ngầm như sau:

  • đủ độ thấm của đất, cho phép bổ sung lượng nước dự trữ;
  • tốt Thành phần hóa học nước ngầm (ví dụ như hàm lượng sắt thấp) để tránh các vấn đề về cặn ống và ăn mòn.

Hệ thống mở thường được sử dụng để sưởi ấm hoặc làm mát các tòa nhà lớn. Hệ thống bơm nhiệt địa nhiệt lớn nhất thế giới sử dụng nước ngầm như một nguồn năng lượng nhiệt tiềm năng thấp. Hệ thống này được đặt tại Hoa Kỳ tại Louisville, Kentucky. Hệ thống được sử dụng để cấp nhiệt và cấp lạnh cho tổ hợp khách sạn - văn phòng; công suất của nó là khoảng 10 MW.

Đôi khi các hệ thống sử dụng nhiệt của Trái đất bao gồm các hệ thống sử dụng nhiệt cấp thấp từ các vùng nước lộ thiên, tự nhiên và nhân tạo. Cách tiếp cận này được áp dụng, đặc biệt, ở Hoa Kỳ. Hệ thống sử dụng nhiệt cấp thấp từ các hồ chứa được phân loại là hở, cũng như các hệ thống sử dụng nhiệt cấp thấp từ nước ngầm.

Hệ thống khép kín lần lượt được chia thành ngang và dọc.

Bộ trao đổi nhiệt mặt đất nằm ngang(trong tài liệu tiếng Anh, thuật ngữ “bộ thu nhiệt mặt đất” và “vòng lặp ngang” cũng được sử dụng) thường được bố trí gần nhà ở độ sâu nông (nhưng dưới mức độ đóng băng của đất vào mùa đông). Việc sử dụng các bộ trao đổi nhiệt nằm ngang trên mặt đất bị giới hạn bởi kích thước của địa điểm có sẵn.

Ở các nước Tây và Trung Âu, bộ trao đổi nhiệt nằm ngang trên mặt đất thường là những đường ống riêng biệt được đặt tương đối chặt chẽ và được kết nối với nhau theo chuỗi hoặc song song (Hình 4a, 4b). Để tiết kiệm diện tích mặt bằng, các loại bộ trao đổi nhiệt cải tiến đã được phát triển, ví dụ, bộ trao đổi nhiệt ở dạng xoắn ốc, nằm ngang hoặc dọc (Hình 4e, 4f). Hình thức trao đổi nhiệt này phổ biến ở Mỹ.

Cơm. 4. Các loại bộ trao đổi nhiệt mặt đất nằm ngang
a - bộ trao đổi nhiệt của các đường ống nối tiếp;
b - bộ trao đổi nhiệt từ các ống song song;
c - bộ thu nằm ngang đặt trong rãnh;
d - thiết bị trao đổi nhiệt ở dạng mạch vòng;
e - bộ trao đổi nhiệt ở dạng xoắn ốc nằm ngang (cái gọi là bộ thu nhiệt "slinky";
e - thiết bị trao đổi nhiệt ở dạng xoắn ốc nằm thẳng đứng


Nếu một hệ thống với các bộ trao đổi nhiệt nằm ngang chỉ được sử dụng để tạo ra nhiệt, thì hoạt động bình thường của hệ thống chỉ có thể thực hiện được nếu có đủ nhiệt đầu vào từ bề mặt trái đất do bức xạ mặt trời. Vì lý do này, bề mặt phía trên các bộ trao đổi nhiệt phải được tiếp xúc với ánh sáng mặt trời.

Bộ trao đổi nhiệt mặt đất thẳng đứng(trong tài liệu tiếng Anh, ký hiệu "BHE" - "thiết bị trao đổi nhiệt lỗ khoan" được chấp nhận) cho phép sử dụng năng lượng nhiệt tiềm năng thấp của khối đất nằm bên dưới "vùng trung tính" (10–20 m tính từ mặt đất). Hệ thống với bộ trao đổi nhiệt mặt đất thẳng đứng không yêu cầu phần khu vực rộng lớn và không phụ thuộc vào cường độ bức xạ mặt trời tới bề mặt. Bộ trao đổi nhiệt mặt đất thẳng đứng hoạt động hiệu quả trong hầu hết các loại môi trường địa chất, ngoại trừ đất có hệ số dẫn nhiệt thấp, chẳng hạn như cát khô hoặc sỏi khô. Các hệ thống với bộ trao đổi nhiệt mặt đất thẳng đứng rất phổ biến.

Sơ đồ sưởi ấm và cung cấp nước nóng của một tòa nhà dân cư một căn hộ bằng một đơn vị máy bơm nhiệt với một bộ trao đổi nhiệt mặt đất thẳng đứng được thể hiện trong hình. 5.

Cơm. 5. Phương án cấp nước nóng và cấp nước nóng cho nhà ở căn hộ đơn lẻ bằng cụm máy bơm nhiệt với bộ trao đổi nhiệt đặt trên mặt đất


Chất làm mát lưu thông qua các đường ống (thường là polyetylen hoặc polypropylen) đặt trong giếng đứng sâu từ 50 đến 200 m. Hai loại bộ trao đổi nhiệt thẳng đứng thường được sử dụng (Hình 6):

  • Bộ trao đổi nhiệt hình chữ U, là hai đường ống song song được nối ở phía dưới. Một hoặc hai (hiếm khi ba) cặp ống như vậy được đặt trong một giếng. Ưu điểm của sơ đồ như vậy là chi phí chế tạo tương đối thấp. Bộ trao đổi nhiệt kép hình chữ U là loại bộ trao đổi nhiệt thẳng đứng được sử dụng rộng rãi nhất ở Châu Âu.
  • Bộ trao đổi nhiệt đồng trục (đồng tâm). Bộ trao đổi nhiệt đồng trục đơn giản nhất bao gồm hai ống có đường kính khác nhau. Một đường ống có đường kính nhỏ hơn được đặt bên trong một đường ống khác. Bộ trao đổi nhiệt đồng trục có thể có cấu hình phức tạp hơn.

Cơm. 6. Mặt cắt của các loại bộ trao đổi nhiệt mặt đất thẳng đứng


Để tăng hiệu quả của các thiết bị trao đổi nhiệt, không gian giữa các thành giếng và các đường ống được lấp đầy bằng các vật liệu dẫn nhiệt đặc biệt.

Hệ thống với bộ trao đổi nhiệt đặt dọc trên mặt đất có thể được sử dụng để sưởi ấm và làm mát các tòa nhà Đa dạng về kích cỡ. Đối với một tòa nhà nhỏ, một bộ trao đổi nhiệt là đủ; đối với các tòa nhà lớn, có thể yêu cầu cả một nhóm giếng với bộ trao đổi nhiệt thẳng đứng. Số lượng giếng lớn nhất trên thế giới được sử dụng trong hệ thống sưởi và làm mát của trường Cao đẳng Richard Stockton ở bang New Jersey, Hoa Kỳ. Các thiết bị trao đổi nhiệt mặt đất thẳng đứng của trường cao đẳng này được đặt trong 400 giếng sâu 130 m. Ở châu Âu, số lượng giếng lớn nhất (154 giếng sâu 70 m) được sử dụng trong hệ thống sưởi và làm mát của văn phòng trung tâm của Cơ quan Kiểm soát Không lưu Đức. Dịch vụ (“Deutsche Flug-sicherung”).

Một trường hợp đặc biệt của hệ thống khép kín thẳng đứng là việc sử dụng làm bộ trao đổi nhiệt mặt đất Công trình xây dựng, chẳng hạn như cọc móng với đường ống nhúng. Phần của một đống như vậy với ba đường viền của bộ trao đổi nhiệt đất được thể hiện trong hình. 7.

Cơm. 7. Sơ đồ thiết bị trao đổi nhiệt mặt đất được nhúng vào cọc móng của tòa nhà và mặt cắt ngang của cọc đó


Khối đất (trong trường hợp bộ trao đổi nhiệt đặt trên mặt đất) và các cấu trúc xây dựng có bộ trao đổi nhiệt trên mặt đất không chỉ có thể được sử dụng như một nguồn, mà còn như một bộ tích lũy tự nhiên của năng lượng nhiệt hoặc "lạnh", ví dụ, nhiệt bức xạ mặt trời.

Có những hệ thống không thể phân loại rõ ràng là mở hay đóng. Ví dụ, cùng một giếng sâu (từ 100 đến 450 m) chứa đầy nước có thể vừa sản xuất vừa bơm. Đường kính lỗ khoan thường là 15 cm. phần dưới Một máy bơm được đặt trong giếng, qua đó nước từ giếng được cung cấp cho các thiết bị bay hơi của máy bơm nhiệt. Nước hồi lưu trở lại đỉnh cột nước trong cùng một giếng. Việc bổ sung nước ngầm liên tục cho giếng, và hệ thống mở hoạt động giống như một đóng cửa. Các hệ thống kiểu này trong tài liệu tiếng Anh được gọi là "hệ thống giếng đứng" (Hình 8).

Cơm. 8. Sơ đồ kiểu giếng "giếng đứng cột"


Thông thường, các giếng kiểu này cũng được sử dụng để cung cấp nước uống cho tòa nhà.. Tuy nhiên, một hệ thống như vậy chỉ có thể hoạt động hiệu quả ở những loại đất cung cấp nguồn nước liên tục cho giếng, giúp giếng không bị đóng băng. Nếu tầng chứa nước quá sâu, hoạt động bình thường hệ thống sẽ yêu cầu một máy bơm mạnh đòi hỏi chi phí năng lượng tăng lên. Độ sâu của giếng lớn gây ra chi phí khá cao cho các hệ thống như vậy, vì vậy chúng không được sử dụng để cung cấp nhiệt và lạnh cho các tòa nhà nhỏ. Hiện nay trên thế giới có một số hệ thống như vậy ở Mỹ, Đức và Châu Âu.

Một trong hướng đi đầy hứa hẹn- sử dụng nước từ các mỏ và đường hầm như một nguồn năng lượng nhiệt tiềm năng thấp. Nhiệt độ của nước này không đổi quanh năm. Nước từ các mỏ và đường hầm luôn có sẵn.

"Tính bền vững" của các hệ thống sử dụng nhiệt cấp thấp của Trái đất

Trong quá trình hoạt động của bộ trao đổi nhiệt đất, một tình huống có thể phát sinh khi trong mùa nóng, nhiệt độ của đất gần bộ trao đổi nhiệt trong đất giảm xuống và vào mùa hè, đất không có thời gian để nóng lên đến nhiệt độ ban đầu - nhiệt độ của nó tiềm năng giảm dần. Tiêu thụ năng lượng trong mùa nóng tiếp theo làm cho nhiệt độ của đất giảm đi nhiều hơn, và nhiệt độ tiềm tàng của đất còn giảm hơn nữa. Điều này buộc thiết kế hệ thống sử dụng nhiệt cấp thấp của Trái đất xem xét vấn đề “tính ổn định” (tính bền vững) của các hệ thống như vậy. Thông thường, các nguồn năng lượng được sử dụng rất mạnh để giảm thời gian hoàn vốn của thiết bị, điều này có thể dẫn đến sự cạn kiệt nhanh chóng của chúng. Do đó, cần phải duy trì mức sản xuất năng lượng như vậy sẽ cho phép khai thác nguồn năng lượng. thời gian dài. Khả năng duy trì mức sản sinh nhiệt cần thiết của hệ thống này trong một thời gian dài được gọi là “tính bền vững”. Đối với hệ thống sử dụng tiềm năng thấp Sức nóng của trái đấtđịnh nghĩa về tính bền vững sau đây được đưa ra: “Đối với mỗi hệ thống sử dụng nhiệt năng thấp của Trái đất và đối với mỗi phương thức hoạt động của hệ thống này, có một mức sản xuất năng lượng tối đa nhất định; sản xuất năng lượng dưới mức này có thể được duy trì trong thời gian dài (100–300 năm) ”.

Tổ chức tại OJSC INSOLAR-ĐẦU TƯ các nghiên cứu đã chỉ ra rằng việc tiêu thụ năng lượng nhiệt từ khối đất vào cuối mùa nóng gây ra sự giảm nhiệt độ của đất gần thanh ghi của các đường ống của hệ thống thu nhiệt, trong điều kiện đất và khí hậu của hầu hết lãnh thổ. của Nga, không có thời gian bù vào mùa hè, và đến đầu mùa nóng tiếp theo, đất xuất hiện tiềm năng nhiệt độ thấp. Việc tiêu thụ năng lượng nhiệt trong mùa nóng tiếp theo làm cho nhiệt độ của đất giảm hơn nữa, và vào đầu mùa nóng thứ ba, thế nhiệt độ của nó thậm chí còn khác nhiều hơn so với nhiệt độ tự nhiên. Và như thế. Tuy nhiên, sự bao trùm của ảnh hưởng nhiệt do hoạt động lâu dài của hệ thống thu nhiệt lên chế độ nhiệt độ tự nhiên của đất có tính chất hàm mũ rõ rệt, và đến năm vận hành thứ năm, đất chuyển sang một chế độ mới gần với chu kỳ, nghĩa là, bắt đầu từ năm hoạt động thứ năm, việc tiêu thụ lâu dài nhiệt năng từ khối đất mà hệ thống thu nhiệt kèm theo sự thay đổi định kỳ về nhiệt độ của nó. Do đó, khi thiết kế hệ thống sưởi bơm nhiệt Có vẻ như cần phải tính đến sự sụt giảm nhiệt độ của khối đất gây ra bởi hoạt động lâu dài của hệ thống thu nhiệt và sử dụng nhiệt độ của khối đất dự kiến ​​cho năm vận hành thứ 5 của TST làm thông số thiết kế.

Trong hệ thống kết hợp, được sử dụng cho cả cấp nhiệt và cấp lạnh, cân bằng nhiệt được thiết lập “tự động”: vào mùa đông (cần cung cấp nhiệt), khối đất được làm mát, vào mùa hè (cần cấp lạnh), khối đất được làm nóng. Trong các hệ thống sử dụng nhiệt lượng nước ngầm cấp thấp, lượng nước dự trữ được bổ sung liên tục do nước thấm từ bề mặt và nước từ các lớp sâu hơn của đất. Do đó, nhiệt lượng của nước ngầm tăng lên cả "từ trên cao" (do nhiệt không khí trong khí quyển), và “từ bên dưới” (do sức nóng của Trái đất); giá trị của nhiệt tăng "từ trên cao" và "từ bên dưới" phụ thuộc vào độ dày và độ sâu của tầng chứa nước. Do sự truyền nhiệt này, nhiệt độ nước ngầm không đổi trong suốt mùa và ít thay đổi trong quá trình vận hành.

Trong các hệ thống có bộ trao đổi nhiệt thẳng đứng trên mặt đất, tình hình lại khác. Khi loại bỏ nhiệt, nhiệt độ của đất xung quanh thiết bị trao đổi nhiệt của đất giảm xuống. Sự giảm nhiệt độ bị ảnh hưởng bởi cả các tính năng thiết kế của bộ trao đổi nhiệt và phương thức hoạt động của nó. Ví dụ, trong hệ thống có giá trị tản nhiệt cao (vài chục watt trên mét chiều dài bộ trao đổi nhiệt) hoặc trong hệ thống có bộ trao đổi nhiệt mặt đất nằm trong đất có độ dẫn nhiệt thấp (ví dụ, trong cát khô hoặc sỏi khô) , sự giảm nhiệt độ sẽ đặc biệt đáng chú ý và có thể dẫn đến sự đóng băng của khối đất xung quanh bộ trao đổi nhiệt của đất.

Các chuyên gia Đức đã đo nhiệt độ của khối đất, trong đó bố trí một thiết bị trao đổi nhiệt đất thẳng đứng sâu 50 m, nằm gần Frankfurt am Main, được bố trí. Vì vậy, 9 giếng có cùng độ sâu đã được khoan xung quanh giếng chính với khoảng cách 2,5, 5 và 10 m. Trong tất cả mười giếng, các cảm biến nhiệt độ được lắp đặt cứ sau 2 m - tổng số 240 cảm biến. Trên hình. Hình 9 là biểu đồ thể hiện sự phân bố nhiệt độ trong khối đất xung quanh thiết bị trao đổi nhiệt đất thẳng đứng vào đầu và cuối mùa gia nhiệt đầu tiên. Vào cuối mùa gia nhiệt, sự giảm nhiệt độ của khối đất xung quanh thiết bị trao đổi nhiệt có thể thấy rõ. Có một dòng nhiệt được dẫn đến bộ trao đổi nhiệt từ khối đất xung quanh, bù đắp một phần cho sự giảm nhiệt độ của đất do "chọn lọc" nhiệt. Độ lớn của thông lượng này so với độ lớn của thông lượng nhiệt từ bên trong trái đất trong một khu vực nhất định (80–100 mW / sq.m) được ước tính là khá cao (vài watt trên mét vuông).

Cơm. Hình 9. Sơ đồ phân bố nhiệt độ trong khối đất xung quanh thiết bị trao đổi nhiệt đất thẳng đứng vào đầu và cuối mùa gia nhiệt đầu tiên


Kể từ khi bộ trao đổi nhiệt thẳng đứng bắt đầu trở nên tương đối phổ biến cách đây khoảng 15–20 năm, còn thiếu dữ liệu thử nghiệm trên toàn thế giới thu được trong thời gian hoạt động dài hạn (vài chục năm) của các hệ thống có bộ trao đổi nhiệt kiểu này. Câu hỏi đặt ra về tính ổn định của các hệ thống này, về độ tin cậy của chúng trong thời gian dài hoạt động. Nhiệt năng thấp của Trái đất có phải là nguồn năng lượng tái tạo không? Thời kỳ “đổi mới” của nguồn này là gì?

Khi vận hành một trường học nông thôn ở vùng Yaroslavl, được trang bị hệ thống bơm nhiệt, sử dụng bộ trao đổi nhiệt đặt thẳng đứng trên mặt đất, các giá trị trung bình của nhiệt loại bỏ riêng ở mức 120–190 W / rm. m chiều dài của thiết bị trao đổi nhiệt.

Từ năm 1986, nghiên cứu đã được thực hiện ở Thụy Sĩ gần Zurich trên một hệ thống với các bộ trao đổi nhiệt thẳng đứng trên mặt đất. Một thiết bị trao đổi nhiệt mặt đất kiểu đồng trục thẳng đứng có độ sâu 105 m được lắp đặt trong khối đất. Bộ trao đổi nhiệt mặt đất thẳng đứng cung cấp công suất cực đại xấp xỉ 70 watt trên mét chiều dài, điều này tạo ra một công suất đáng kể tải nhiệtđến đất xung quanh. Sản lượng nhiệt năng hàng năm khoảng 13 MWh

Ở khoảng cách 0,5 và 1 m từ giếng chính, hai giếng phụ được khoan, trong đó các cảm biến nhiệt độ được lắp đặt ở độ sâu 1, 2, 5, 10, 20, 35, 50, 65, 85 và 105 m, sau đó các giếng được lấp đầy bằng hỗn hợp đất sét-xi măng. Nhiệt độ được đo sau mỗi ba mươi phút. Ngoài nhiệt độ mặt đất, các thông số khác được ghi lại: tốc độ của chất làm mát, tiêu thụ năng lượng của ổ đĩa máy nén bơm nhiệt, nhiệt độ không khí, v.v.

Giai đoạn quan sát đầu tiên kéo dài từ năm 1986 đến năm 1991. Các phép đo cho thấy ảnh hưởng của nhiệt lượng không khí bên ngoài và bức xạ mặt trời được ghi nhận ở lớp bề mặt của đất ở độ sâu tới 15 m. Dưới mức này, chế độ nhiệt của đất được hình thành chủ yếu do nhiệt của bên trong trái đất. Trong 2-3 năm đầu hoạt động nhiệt độ khối đất xung quanh thiết bị trao đổi nhiệt thẳng đứng giảm mạnh, nhưng mỗi năm nhiệt độ giảm dần, và sau một vài năm hệ thống đạt chế độ gần như không đổi, khi nhiệt độ của khối đất xung quanh thiết bị trao đổi nhiệt trở nên thấp hơn ban đầu 1 –2 ° C.

Vào mùa thu năm 1996, mười năm sau khi bắt đầu vận hành hệ thống, các phép đo được tiếp tục lại. Các phép đo này cho thấy nhiệt độ mặt đất không thay đổi đáng kể. Trong những năm tiếp theo, nhiệt độ mặt đất dao động nhẹ được ghi nhận trong khoảng 0,5 độ C, tùy thuộc vào tải trọng sưởi ấm hàng năm. Do đó, hệ thống đã chuyển sang chế độ bán cố định sau vài năm đầu hoạt động.

Dựa trên dữ liệu thực nghiệm, các mô hình toán học về các quá trình diễn ra trong khối đất đã được xây dựng, giúp dự báo lâu dài về sự thay đổi nhiệt độ của khối đất.

Mô hình toán học cho thấy nhiệt độ giảm hàng năm sẽ giảm dần, và thể tích của khối đất xung quanh thiết bị trao đổi nhiệt, chịu sự giảm nhiệt độ, sẽ tăng lên hàng năm. Vào cuối thời kỳ hoạt động, quá trình tái sinh bắt đầu: nhiệt độ của đất bắt đầu tăng lên. Bản chất của quá trình tái sinh tương tự như bản chất của quá trình “chọn lọc” nhiệt: trong những năm đầu vận hành, nhiệt độ đất tăng mạnh, những năm sau đó, tốc độ tăng nhiệt độ giảm dần. Độ dài của thời kỳ “tái sinh” phụ thuộc vào độ dài của thời kỳ hoạt động. Hai giai đoạn này giống nhau. Trong trường hợp này, thời gian hoạt động của bộ trao đổi nhiệt trên mặt đất là ba mươi năm, và thời gian "tái sinh" cũng được ước tính là ba mươi năm.

Do đó, hệ thống sưởi ấm và làm mát của các tòa nhà, sử dụng nhiệt lượng thấp của Trái đất, là một nguồn năng lượng đáng tin cậy có thể được sử dụng ở mọi nơi. Nguồn này sử dụng được khá lâu, có thể đổi mới khi hết thời gian hoạt động.

Văn chương

1. Rybach L. Hiện trạng và triển vọng của máy bơm nhiệt địa nhiệt (GHP) ở Châu Âu và trên toàn thế giới; các khía cạnh bền vững của GHPs. Khóa học quốc tế về máy bơm nhiệt địa nhiệt, 2002

2. Vasiliev G.P., Krundyshev N.S. Trường học nông thôn tiết kiệm năng lượng ở vùng Yaroslavl. ABOK №5, 2002

3. Sanner B. Nguồn nhiệt mặt đất cho máy bơm nhiệt (phân loại, đặc điểm, ưu điểm). 2002

4. Rybach L. Hiện trạng và triển vọng của máy bơm nhiệt địa nhiệt (GHP) ở Châu Âu và trên toàn thế giới; các khía cạnh bền vững của GHPs. Khóa học quốc tế về máy bơm nhiệt địa nhiệt, 2002

5. Nhóm công tác ORKUSTOFNUN, Iceland (2001): Sản xuất bền vững năng lượng địa nhiệt - định nghĩa được đề xuất. IGA Tin tức không. 43, tháng 1 đến tháng 3 năm 2001, 1-2

6. Rybach L., Sanner B. Hệ thống bơm nhiệt nguồn mặt đất - kinh nghiệm của Châu Âu. GeoHeat Center Bull. 21/1 năm 2000

7. Tiết kiệm năng lượng với Máy bơm nhiệt dân dụng ở vùng khí hậu lạnh. Maxi Brochure 08. CADDET, 1997

8. Phân tích bơm nhiệt hấp thụ áp suất đơn Atkinson Schaefer L. Một Luận án Trình bày cho Khoa Học thuật. Viện Công nghệ Georgia, 2000

9. Morley T. Động cơ nhiệt đảo ngược như một phương tiện sưởi ấm các tòa nhà, The Engineer 133: 1922

10. Fearon J. Lịch sử và phát triển của máy bơm nhiệt, Điện lạnh và Điều hòa không khí. 1978

11. Vasiliev G.P. Các tòa nhà tiết kiệm năng lượng với hệ thống cung cấp nhiệt bơm nhiệt. Tạp chí ZhKH, số 12 năm 2002

12. Hướng dẫn sử dụng máy bơm nhiệt sử dụng các nguồn năng lượng thứ cấp và các nguồn năng lượng tái tạo phi truyền thống. Moskomarchitectura. Doanh nghiệp đơn nhất nhà nước "NIAC", 2001

13. Tòa nhà dân cư tiết kiệm năng lượng ở Moscow. ABOK №4, 1999

14. Vasiliev G.P. Tòa nhà dân cư thử nghiệm tiết kiệm năng lượng ở quận siêu nhỏ Nikulino-2. ABOK №4, 2002

Nhiệt độ thay đổi theo độ sâu. Bề mặt trái đất, do sự cung cấp nhiệt lượng mặt trời không đồng đều, nóng lên hoặc nguội đi. Những dao động nhiệt độ này xâm nhập rất nông vào bề dày của Trái đất. Vì vậy, biến động hàng ngày ở độ sâu 1 m thường không còn cảm giác. Đối với biến động hàng năm, chúng xâm nhập vào các độ sâu khác nhau: ở các nước ấm áp khoảng 10-15 m, và ở những nước có mùa đông lạnh và mùa hè nóng có thể lên đến 25-30 và thậm chí 40 m. Sâu hơn 30-40 mđã có ở khắp mọi nơi trên Trái đất, nhiệt độ được giữ không đổi. Ví dụ, một nhiệt kế đặt trong tầng hầm của Đài thiên văn Paris đã luôn hiển thị 11 ° .85C trong hơn 100 năm qua.

Một lớp có nhiệt độ không đổi được quan sát trên khắp địa cầu và được gọi là vành đai có nhiệt độ không đổi hoặc trung tính. Độ sâu của vành đai này thay đổi tùy thuộc vào điều kiện khí hậu, và nhiệt độ xấp xỉ bằng nhiệt độ trung bình hàng năm của nơi này.

Khi đi sâu vào Trái đất bên dưới một lớp nhiệt độ không đổi, nhiệt độ thường tăng dần. Điều này lần đầu tiên được chú ý bởi các công nhân ở các mỏ sâu. Điều này cũng được quan sát thấy khi đặt đường hầm. Vì vậy, ví dụ, khi đặt đường hầm Simplon (trên dãy Alps), nhiệt độ đã tăng lên 60 °, gây khó khăn đáng kể trong công việc. Nhiệt độ thậm chí cao hơn được quan sát thấy trong các lỗ khoan sâu. Một ví dụ là giếng Chukhovskaya (Thượng Silesia), ở độ sâu 2220 m nhiệt độ trên 80 ° (83 °, 1), v.v. m nhiệt độ tăng 1 ° C.

Số mét bạn cần đi sâu vào Trái đất để nhiệt độ tăng thêm 1 ° C được gọi là bước địa nhiệt. Giai đoạn địa nhiệt trong những dịp khác nhau thay đổi và thường xuyên nhất là từ 30 đến 35 m. Trong một số trường hợp, những biến động này thậm chí có thể cao hơn. Ví dụ, ở bang Michigan (Mỹ), tại một trong những lỗ khoan nằm gần hồ. Michigan, giai đoạn địa nhiệt hóa ra không phải là 33, nhưng 70 m Ngược lại, một bước địa nhiệt rất nhỏ đã được quan sát thấy ở một trong những giếng ở Mexico, Ở độ sâu 670 m có nước với nhiệt độ 70 °. Do đó, giai đoạn địa nhiệt hóa ra chỉ khoảng 12 m. Các bước địa nhiệt nhỏ cũng được quan sát thấy ở các vùng núi lửa, nơi ở độ sâu nông vẫn có thể có các địa tầng chưa được làm lạnh của đá mácma. Nhưng tất cả những trường hợp như vậy không có quá nhiều quy tắc là ngoại lệ.

Có nhiều nguyên nhân ảnh hưởng đến giai đoạn địa nhiệt. (Ngoài những điều trên, người ta có thể chỉ ra sự dẫn nhiệt khác nhau của các loại đá, bản chất của sự xuất hiện của các lớp, v.v.

Tầm quan trọng lớn trong sự phân bố nhiệt độ có địa hình. Có thể thấy rõ phần sau trong hình vẽ đính kèm (Hình 23), mô tả một phần của dãy Alps dọc theo đường hầm Simplon, với đường địa nhiệt được vẽ bằng một đường chấm (tức là các đường có nhiệt độ bằng nhau bên trong Trái đất). Geoisotherms ở đây dường như lặp lại phù điêu, nhưng theo chiều sâu, ảnh hưởng của phù điêu giảm dần. (Sự uốn cong xuống mạnh của các đường địa nhiệt tại Balle là do sự lưu thông nước mạnh mẽ được quan sát thấy ở đây.)

Nhiệt độ của Trái đất ở độ sâu lớn. Các quan sát về nhiệt độ trong các lỗ khoan, độ sâu trong đó hiếm khi vượt quá 2-3 km,Đương nhiên, họ không thể đưa ra ý tưởng về nhiệt độ của các lớp sâu hơn của Trái đất. Nhưng ở đây một số hiện tượng từ sự sống của vỏ trái đất có thể hỗ trợ chúng ta. Núi lửa là một trong những hiện tượng như vậy. Núi lửa, lan rộng trên bề mặt trái đất, mang các lava nóng chảy đến bề mặt trái đất, nhiệt độ của nó là hơn 1000 °. Do đó, ở độ sâu lớn, chúng ta có nhiệt độ vượt quá 1000 °.

Đã có thời gian các nhà khoa học, trên cơ sở giai đoạn địa nhiệt, đã cố gắng tính toán độ sâu mà nhiệt độ có thể lên tới 1000-2000 °. Tuy nhiên, những tính toán như vậy không thể được coi là đủ cơ sở. Các quan sát được thực hiện về nhiệt độ của một quả bóng bazan làm mát và các tính toán lý thuyết đưa ra lý do để nói rằng giá trị của bước địa nhiệt tăng lên theo độ sâu. Nhưng đến mức độ nào và mức độ gia tăng sâu như vậy, chúng tôi cũng chưa thể nói.

Nếu chúng ta giả định rằng nhiệt độ tăng liên tục theo độ sâu, thì ở trung tâm Trái đất, nó phải được đo bằng hàng chục nghìn độ. Ở nhiệt độ như vậy, tất cả các loại đá mà chúng ta đã biết sẽ chuyển sang trạng thái lỏng. Đúng vậy, có một áp suất rất lớn bên trong Trái đất, và chúng ta không biết gì về trạng thái của các cơ thể ở những áp suất như vậy. Tuy nhiên, chúng tôi không có dữ liệu để nói rằng nhiệt độ tăng liên tục theo độ sâu. Hiện nay hầu hết các nhà địa vật lý đều đi đến kết luận rằng nhiệt độ bên trong Trái đất khó có thể quá 2000 °.

Nguồn nhiệt. Đối với các nguồn nhiệt quyết định nhiệt độ bên trong Trái đất, chúng có thể khác nhau. Dựa trên các giả thuyết coi Trái đất được hình thành từ một khối nóng đỏ và nóng chảy, nội nhiệt phải được coi là nhiệt dư của một vật thể đang nóng chảy ra khỏi bề mặt. Tuy nhiên, có lý do để tin rằng lý do cho nhiệt độ cao bên trong Trái đất có thể là sự phân rã phóng xạ của uranium, thorium, actinouranium, kali và các nguyên tố khác có trong đá. nguyên tố phóng xạ hầu hết thường gặp trong các đá có tính axit của vỏ bề mặt Trái đất, chúng ít phổ biến hơn trong các đá bazơ sâu. Đồng thời, các loại đá cơ bản giàu chúng hơn các thiên thạch sắt, được coi là mảnh vỡ của các bộ phận bên trong các thiên thể vũ trụ.

Mặc dù có một lượng nhỏ các chất phóng xạ trong đá và sự phân hủy chậm của chúng, nhưng tổng lượng nhiệt sinh ra từ sự phân rã phóng xạ là lớn. Nhà địa chất Liên Xô V. G. Khlopin tính toán rằng các nguyên tố phóng xạ chứa trong lớp vỏ 90 km phía trên của Trái đất đủ để che phủ sự mất nhiệt của hành tinh do bức xạ. Cùng với sự phân rã phóng xạ năng lượng nhiệtđược giải phóng trong quá trình nén của vật chất Trái đất, với phản ứng hoá học vân vân.

Để lập mô hình trường nhiệt độ và cho các tính toán khác, cần phải biết nhiệt độ của đất ở độ sâu nhất định.

Nhiệt độ của đất ở độ sâu được đo bằng cách sử dụng nhiệt kế ở tầng sâu cạn kiệt. Đây là những nghiên cứu có kế hoạch được thực hiện thường xuyên bởi các trạm khí tượng. Dữ liệu nghiên cứu đóng vai trò là cơ sở cho các cơ sở khí hậu và tài liệu quản lý.

Để có được nhiệt độ đất ở độ sâu nhất định, bạn có thể thử, chẳng hạn như hai những cách đơn giản. Cả hai phương pháp đều dựa trên việc sử dụng tài liệu tham khảo:

  1. Để xác định gần đúng nhiệt độ, bạn có thể sử dụng tài liệu TsPI-22. "Đường sắt giao nhau bằng đường ống". Ở đây, trong khuôn khổ phương pháp luận tính toán kỹ thuật nhiệt của đường ống, Bảng 1 được đưa ra, trong đó đối với các vùng khí hậu nhất định, nhiệt độ đất được đưa ra tùy thuộc vào độ sâu đo. Tôi trình bày bảng này dưới đây.

Bảng 1

  1. Bảng nhiệt độ đất ở các độ sâu khác nhau tính từ nguồn "giúp người thợ ngành công nghiệp khí đốt»Ngay cả thời Liên Xô

Độ sâu đóng băng tiêu chuẩn cho một số thành phố:

Độ sâu đóng băng của đất phụ thuộc vào loại đất:

Tôi nghĩ tùy chọn dễ nhất là sử dụng dữ liệu tham chiếu ở trên và sau đó nội suy.

Lựa chọn đáng tin cậy nhất để tính toán chính xác sử dụng nhiệt độ mặt đất là sử dụng dữ liệu từ các dịch vụ khí tượng. Trên cơ sở các dịch vụ khí tượng, một số thư mục trực tuyến hoạt động. Ví dụ: http://www.atlas-yakutia.ru/.

Ở đây, chỉ cần chọn độ lún, loại đất là đủ và bạn có thể nhận được bản đồ nhiệt độ của đất hoặc dữ liệu của nó ở dạng bảng. Về nguyên tắc, nó là thuận tiện, nhưng có vẻ như nguồn lực này được trả tiền.

Nếu bạn biết thêm cách xác định nhiệt độ đất ở độ sâu nhất định, xin vui lòng viết ý kiến.

Bạn có thể quan tâm đến tài liệu sau:

Dưới đây là công bố về động lực của những thay đổi trong mùa đông (2012-13) nhiệt độ mặt đất ở độ sâu 130 cm dưới ngôi nhà (dưới mép trong của móng), cũng như ở mặt đất và nhiệt độ của nước đến từ Tốt. Tất cả điều này - trên cái giếng đến từ giếng.
Biểu đồ ở cuối bài viết.
Dacha (ở biên giới New Moscow và vùng Kaluga) vào mùa đông, các chuyến thăm định kỳ (2-4 lần một tháng trong vài ngày).
Khu vực khuất và tầng hầm của ngôi nhà không được cách nhiệt, từ mùa thu họ đã được đóng bằng các nút cách nhiệt (xốp 10 cm). Sự mất nhiệt của hiên nơi người dậy vào tháng Giêng đã thay đổi. Xem Chú thích 10.
Các phép đo ở độ sâu 130 cm được thực hiện bởi hệ thống Xital GSM (), rời rạc - 0,5 * C, nói thêm. sai số khoảng 0,3 * C.
Cảm biến được lắp đặt trong một ống HDPE 20 mm được hàn từ bên dưới gần ống nâng, (với ngoài cách nhiệt của riser, nhưng bên trong ống 110mm).
Hệ số hiển thị ngày tháng, bản đồ hiển thị nhiệt độ.
Lưu ý 1:
Tôi cũng sẽ theo dõi nhiệt độ của nước trong giếng, cũng như ở mặt đất dưới nhà, ngay trên máng nước không có nước, nhưng chỉ khi đến nơi. Lỗi khoảng + -0,6 * C.
Lưu ý 2:
Nhiệt độ ở mặt đất dưới nhà, tại cống cấp nước, không có người và nước, nó đã giảm xuống âm 5 * C. Điều này cho thấy rằng tôi đã không làm cho hệ thống vô ích - Nhân tiện, bộ điều nhiệt hiển thị -5 * C chỉ là từ hệ thống này (RT-12-16).
Lưu ý 3:
Nhiệt độ của nước "trong giếng" được đo bằng cùng một cảm biến (nó cũng có trong Chú thích 2) là "ở mặt đất" - nó đứng ngay trên miệng nâng dưới lớp cách nhiệt, gần với ống nâng ở mặt đất. Hai phép đo này được thực hiện vào những thời điểm khác nhau. "Ở mặt đất" - trước khi bơm nước vào ống nâng và "trong giếng" - sau khi bơm khoảng 50 lít trong nửa giờ với sự gián đoạn.
Lưu ý 4:
Nhiệt độ của nước trong giếng có thể được đánh giá thấp phần nào, bởi vì. Tôi không thể tìm kiếm cái tiệm cận chết tiệt này, không ngừng bơm nước (của tôi) ... Tôi chơi hết sức có thể.
Lưu ý 5: Không liên quan, loại bỏ.
Lưu ý 6:
Sửa lỗi nhiệt độ ngoài trời xấp xỉ + - (3-7) * C.
Lưu ý 7:
Tốc độ làm mát của nước ở mặt đất (không bật máy bơm) là rất khoảng 1-2 * C mỗi giờ (ở mức âm 5 * C ở mặt đất).
Lưu ý 8:
Tôi đã quên không mô tả cách thức bố trí và cách nhiệt hệ thống nâng tầng ngầm của tôi. Tổng cộng hai chiếc tất cách nhiệt được đặt trên PND-32 - 2 cm. độ dày (rõ ràng là polyethylene tạo bọt), tất cả những thứ này được đưa vào một đường ống cống 110mm và được tạo bọt ở đó đến độ sâu 130cm. Đúng vậy, vì PND-32 không đi vào trung tâm của đường ống thứ 110, và thực tế là ở giữa nó, khối bọt thông thường có thể không đông cứng trong một thời gian dài, có nghĩa là nó không biến thành lò sưởi, tôi mạnh mẽ nghi ngờ chất lượng của lớp cách nhiệt bổ sung như vậy .. Có lẽ sẽ tốt hơn nếu sử dụng bọt hai thành phần, sự tồn tại của loại bọt này sau này tôi mới biết ...
Lưu ý 9:
Tôi muốn thu hút sự chú ý của độc giả đến kết quả đo nhiệt độ "Tại mặt đất" ngày 01/12/2013. và ngày 18 tháng 1 năm 2013. Ở đây, theo ý kiến ​​của tôi, giá trị +0,3 * C cao hơn nhiều so với mong đợi. Tôi cho rằng đây là hệ quả của hoạt động “Đổ tuyết vào tầng hầm của giếng thang”, được thực hiện vào ngày 31/12/2012.
Lưu ý 10:
Từ ngày 12 tháng 1 đến ngày 3 tháng 2, anh ta đã làm thêm lớp cách nhiệt cho hàng hiên, nơi mà máy bay ngầm đi qua.
Kết quả là, theo ước tính gần đúng, sự mất nhiệt của mái hiên đã giảm từ 100 W / sq.m. tầng khoảng 50 (đây là âm 20 * C trên đường phố).
Điều này cũng được phản ánh trong các biểu đồ. Xem nhiệt độ trên mặt đất vào ngày 9 tháng 2: + 1,4 * C và vào ngày 16 tháng 2: +1,1 - chưa có nhiệt độ cao như vậy kể từ đầu mùa đông thực sự.
Và một điều nữa: từ ngày 4 đến 16 tháng Hai, lần đầu tiên trong hai mùa đông từ chủ nhật đến thứ sáu, lò hơi không bật để duy trì nhiệt độ tối thiểu đã cài đặt vì nó không đạt mức tối thiểu này ...
Lưu ý 11:
Như đã hứa (để "đặt hàng" và hoàn thành chu kỳ hàng năm), tôi sẽ định kỳ công bố nhiệt độ vào mùa hè. Nhưng - không phải trong lịch trình, để không "che khuất" mùa đông, mà ở đây, trong Note-11.
Ngày 11 tháng 5 năm 2013
Sau 3 tuần thông gió, các lỗ thông hơi được đóng lại cho đến mùa thu để tránh ngưng tụ.
Ngày 13 tháng 5 năm 2013(trên đường phố trong một tuần + 25-30 * C):
- dưới nhà ở tầng trệt + 10,5 * C,
- dưới nhà ở độ sâu 130cm. + 6 * С,

Ngày 12 tháng 6 năm 2013:
- dưới nhà ở tầng trệt + 14,5 * C,
- dưới nhà ở độ sâu 130cm. + 10 * С.
- nước trong giếng từ độ sâu 25 m không cao hơn + 8 * C.
Ngày 26 tháng 6 năm 2013:
- gầm nhà trệt + 16 * C,
- dưới nhà ở độ sâu 130 cm. + 11 * С.
- Nước trong giếng từ độ sâu 25m không cao hơn + 9,3 * C.
Ngày 19 tháng 8 năm 2013:
- dưới nhà ở tầng trệt + 15,5 * C,
- dưới nhà ở độ sâu 130cm. + 13,5 * С.
- nước trong giếng từ độ sâu 25m không cao hơn + 9,0 * C.
Ngày 28 tháng 9 năm 2013:
- dưới nhà ở tầng trệt + 10,3 * C,
- dưới nhà ở độ sâu 130cm. + 12 * С.
- nước trong giếng từ độ sâu 25m = + 8,0 * C.
Ngày 26 tháng 10 năm 2013:
- dưới nhà ở tầng trệt + 8,5 * C,
- dưới nhà ở độ sâu 130cm. + 9,5 * С.
- nước trong giếng từ độ sâu 25 m không cao hơn + 7,5 * C.
Ngày 16 tháng 11 năm 2013:
- dưới nhà ở tầng trệt + 7,5 * C,
- dưới nhà ở độ sâu 130cm. + 9,0 * С.
- nước trong giếng từ độ sâu 25m + 7,5 * C.
Ngày 20 tháng 2 năm 2014:
Đây có lẽ là mục cuối cùng trong bài viết này.
Cả mùa đông, chúng ta luôn ở trong nhà, thời điểm lặp lại các phép đo của năm ngoái là nhỏ, vì vậy chỉ có hai con số đáng kể:
- nhiệt độ tối thiểu dưới mặt đất của ngôi nhà khi có sương giá (-20 - -30 * C) một tuần sau khi chúng bắt đầu, liên tục giảm xuống dưới + 0,5 * C. Tại những thời điểm này, tôi đã làm việc

Một trong những phương pháp tốt nhất, hợp lý trong việc xây dựng nhà kính thủ đô là nhà kính cách nhiệt ngầm.
Việc sử dụng thực tế về sự ổn định của nhiệt độ trái đất ở độ sâu này trong việc xây dựng nhà kính giúp tiết kiệm đáng kể chi phí sưởi ấm vào mùa lạnh, tạo điều kiện thuận lợi cho việc chăm sóc, làm cho vi khí hậu ổn định hơn.
Một nhà kính như vậy hoạt động trong những đợt sương giá khắc nghiệt nhất, cho phép bạn sản xuất rau, trồng hoa quanh năm.
Một nhà kính chôn lấp được trang bị đúng cách sẽ giúp bạn có thể trồng các loại cây trồng miền Nam ưa nhiệt, cùng với những thứ khác. Thực tế không có hạn chế. Trái cây họ cam quýt và thậm chí cả dứa có thể cảm thấy tuyệt vời trong nhà kính.
Nhưng để mọi thứ hoạt động bình thường trong thực tế, bắt buộc phải tuân theo các công nghệ đã được kiểm chứng về thời gian mà các nhà kính ngầm được xây dựng. Rốt cuộc, ý tưởng này không phải là mới, ngay cả dưới thời sa hoàng ở Nga, những nhà kính bị chôn vùi đã tạo ra những vụ thu hoạch dứa, được các thương gia táo bạo xuất khẩu sang châu Âu để bán.
Vì một số lý do, việc xây dựng các nhà kính như vậy đã không được phân phối rộng rãi ở nước ta, nói chung, nó đơn giản là bị lãng quên, mặc dù thiết kế lý tưởng chỉ phù hợp với khí hậu của chúng ta.
Có lẽ, nhu cầu đào hố sâu và đổ nền đã đóng một vai trò nào đó ở đây. Việc xây dựng một nhà kính chôn lấp khá tốn kém, nó khác xa so với nhà kính phủ polyetylen, nhưng lợi nhuận thu được từ nhà kính lớn hơn nhiều.
Từ khi đi sâu vào lòng đất, độ chiếu sáng bên trong tổng thể không bị mất, điều này có vẻ lạ, nhưng trong một số trường hợp, độ bão hòa ánh sáng thậm chí còn cao hơn so với các nhà kính cổ điển.
Không thể không nói đến độ bền và độ tin cậy của cấu trúc, nó mạnh hơn bình thường một cách vô song, dễ chịu đựng gió bão hơn, chống mưa đá tốt, và tuyết sẽ không trở thành chướng ngại vật.

1. Hố

Việc tạo ra một nhà kính bắt đầu bằng việc đào hố móng. Để sử dụng sức nóng của trái đất để đốt nóng thể tích bên trong, nhà kính phải được đào đủ sâu. Càng vào sâu trái đất càng nóng lên.
Nhiệt độ hầu như không thay đổi trong năm ở khoảng cách 2-2,5 mét so với bề mặt. Ở độ sâu 1 m, nhiệt độ mặt đất dao động nhiều hơn, nhưng vào mùa đông, giá trị của nó vẫn dương, thường bằng Lối đi giữa nhiệt độ từ 4-10 độ C, tùy theo mùa.
Một nhà kính chôn cất được xây dựng trong một mùa. Có nghĩa là, vào mùa đông, nó sẽ có thể hoạt động và tạo ra thu nhập. Việc xây dựng không hề rẻ, nhưng bằng cách sử dụng khéo léo, thỏa hiệp các vật liệu, có thể tiết kiệm được toàn bộ quy mô theo đúng nghĩa đen bằng cách thực hiện một loại lựa chọn kinh tế cho nhà kính, bắt đầu với hố móng.
Ví dụ, làm mà không có sự tham gia của thiết bị xây dựng. Mặc dù phần công việc tốn nhiều thời gian nhất - đào hố - tất nhiên là tốt hơn nên giao cho máy xúc. Việc loại bỏ một khối lượng đất như vậy một cách thủ công là rất khó và tốn nhiều thời gian.
Độ sâu của hố đào ít nhất phải là hai mét. Ở độ sâu như vậy, trái đất sẽ bắt đầu chia sẻ nhiệt lượng và hoạt động giống như một loại phích nước. Nếu độ sâu ít hơn, thì về nguyên tắc, ý tưởng sẽ hoạt động, nhưng kém hiệu quả hơn đáng kể. Do đó, chúng tôi khuyên bạn không nên bỏ công sức và tiền bạc để đào sâu nhà kính trong tương lai.
Nhà kính ngầm có thể có chiều dài bất kỳ, nhưng tốt hơn là nên giữ chiều rộng trong vòng 5 mét, nếu chiều rộng lớn hơn thì các đặc tính chất lượng đối với hệ thống sưởi và phản xạ ánh sáng sẽ kém đi.
Ở các phía của đường chân trời, các nhà kính ngầm cần được định hướng, giống như các nhà kính thông thường và nhà kính, từ đông sang tây, nghĩa là, sao cho một trong các mặt quay về hướng nam. Ở vị trí này, cây sẽ nhận được tối đa năng lượng mặt trời.

2. Tường và mái

Dọc theo chu vi của hố, một nền được đổ hoặc đặt các khối. Nền móng đóng vai trò là cơ sở cho các bức tường và khung của cấu trúc. Tường tốt nhất được làm từ vật liệu tốt đặc điểm cách nhiệt, tùy chọn tốt - thermoblocks.

Khung mái thường làm bằng gỗ, từ các thanh có tẩm thuốc sát trùng. Kết cấu mái thường là đầu hồi thẳng. Cố định ở trung tâm của cấu trúc chùm sườn núiĐối với điều này, các giá đỡ trung tâm được lắp đặt trên sàn dọc theo toàn bộ chiều dài của nhà kính.

Dầm và các bức tường được kết nối với nhau bằng một hàng vì kèo. Khung có thể được thực hiện mà không cần hỗ trợ cao. Chúng được thay thế bằng những cái nhỏ, được đặt trên dầm ngang nối các mặt đối diện của nhà kính - thiết kế này làm cho không gian bên trong tự do hơn.

Tốt hơn là nên lấy làm mái che polycarbonate tế bào- nổi tiếng vật liệu hiện đại. Khoảng cách giữa các vì kèo trong quá trình thi công được điều chỉnh theo chiều rộng của các tấm polycarbonate. Nó là thuận tiện để làm việc với vật liệu. Lớp phủ được thực hiện với một số lượng nhỏ các mối nối, vì các tấm được sản xuất có chiều dài 12 m.

Chúng được gắn vào khung bằng vít tự khai thác, tốt hơn nên chọn chúng có nắp ở dạng máy giặt. Để tránh làm nứt tấm, phải khoan một lỗ có đường kính thích hợp dưới mỗi vít tự khai thác bằng máy khoan. Với một tuốc nơ vít, hoặc một máy khoan thông thường có đầu mũi Phillips, công việc tráng men diễn ra rất nhanh chóng. Để tránh các khoảng trống, tốt nhất là nên lót các xà dọc theo mặt trên bằng chất trám khe làm từ cao su mềm hoặc vật liệu thích hợp khác và chỉ sau đó vặn các tấm. Đỉnh mái dọc theo sườn phải được lát bằng vật liệu cách nhiệt mềm và được ép góc bằng một số loại: nhựa, thiếc, hoặc vật liệu thích hợp khác.

Để cách nhiệt tốt, mái nhà đôi khi được làm bằng một lớp polycarbonate kép. Mặc dù độ trong suốt giảm đi khoảng 10%, nhưng điều này được bao phủ bởi hiệu suất cách nhiệt tuyệt vời. Cần lưu ý rằng tuyết trên mái nhà như vậy không tan chảy. Vì vậy, độ dốc phải ở một góc vừa đủ, ít nhất là 30 độ, để tuyết không tích tụ trên mái nhà. Ngoài ra, một máy rung điện được lắp đặt để rung lắc, nó sẽ bảo vệ mái nhà trong trường hợp tuyết vẫn còn tích tụ.

Kính hai lớp được thực hiện theo hai cách:

Một hồ sơ đặc biệt được chèn vào giữa hai tấm, các tấm được gắn vào khung từ phía trên;

Đầu tiên, lớp kính dưới cùng được gắn vào khung từ bên trong, đến mặt dưới của xà nhà. Mái nhà được phủ bằng lớp thứ hai, như thường lệ, nhìn từ trên xuống.

Sau khi hoàn thành công việc, nó là mong muốn để dán tất cả các khớp bằng băng keo. hoàn thành mái nhà trông rất ấn tượng: không có các khớp nối không cần thiết, trơn tru, không có các bộ phận nổi bật.

3. Làm ấm và sưởi ấm

Cách nhiệt tường được thực hiện như sau. Đầu tiên bạn cần sơn phủ cẩn thận tất cả các mối nối và đường nối của tường bằng dung dịch, ở đây bạn cũng có thể sử dụng xốp gắn kết. bên trong Tường nhà được dán phim cách nhiệt.

Ở những vùng lạnh giá của đất nước, tốt nhất là sử dụng màng dày bằng giấy bạc, phủ lên tường một lớp hai lớp.

Nhiệt độ sâu trong đất của nhà kính là trên 0, nhưng lạnh hơn nhiệt độ không khí cần thiết cho sự phát triển của cây. Lớp trên cùng được làm nóng bởi tia nắng mặt trời và không khí trong nhà kính, nhưng đất vẫn lấy đi nhiệt, vì vậy thường trong các nhà kính ngầm họ sử dụng công nghệ "tầng ấm": bộ phận làm nóng - một dây cáp điện - được bảo vệ bằng một tấm nướng bằng kim loại hoặc đổ bê tông.

Trong trường hợp thứ hai, đất làm luống được đổ bê tông hoặc trồng rau xanh trong chậu và chậu hoa.

Việc sử dụng hệ thống sưởi dưới sàn có thể đủ để sưởi ấm toàn bộ nhà kính nếu có đủ điện. Nhưng sẽ hiệu quả hơn và thoải mái hơn cho cây trồng khi sử dụng hệ thống sưởi kết hợp: sưởi ấm dưới sàn + sưởi ấm không khí. Để phát triển tốt, chúng cần nhiệt độ không khí 25-35 độ, nhiệt độ trái đất khoảng 25 C.

PHẦN KẾT LUẬN

Tất nhiên, việc xây dựng một nhà kính chôn lấp sẽ tốn kém hơn, và cần nhiều nỗ lực hơn so với việc xây dựng một nhà kính tương tự theo thiết kế thông thường. Nhưng số tiền đầu tư vào nhà kính-phích nước là hợp lý theo thời gian.

Đầu tiên, nó tiết kiệm năng lượng sưởi ấm. Cho dù một nhà kính trên mặt đất thông thường được sưởi ấm vào mùa đông như thế nào, nó sẽ luôn đắt hơn và khó khăn hơn so với một phương pháp sưởi ấm tương tự trong nhà kính dưới đất. Thứ hai, tiết kiệm điện chiếu sáng. Lá cách nhiệt cho tường, phản xạ ánh sáng, tăng gấp đôi độ chiếu sáng. Điều kiện vi khí hậu trong nhà kính sâu vào mùa đông sẽ thuận lợi hơn cho cây trồng, điều này chắc chắn sẽ ảnh hưởng đến sản lượng. Cây con sẽ dễ dàng bén rễ, cây mềm sẽ cảm thấy tuyệt vời. Một nhà kính như vậy đảm bảo năng suất cao và ổn định của bất kỳ loại cây nào quanh năm.

Đang tải...
Đứng đầu