На Земле - О жизни на Земле в ладу с Природой. Тепловые поля на границе Здание-Грунт

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

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

В данной системе я вижу несколько вопросов которьіе предстоит решить:

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

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

Вместо предислдовия.
Умные и доброжелательные люди указали мне не то, что данный случай должен оцениваться только в нестационарной постановке, ввиду огромной тепловой инерции земли и учитывать годовой режим изменения температур. Выполненный пример решен для стационарного теплового поля, поэтому имеет заведомо некорректные результаты, так что его следует рассматривать только как некую идеализированную модель с огромным количеством упрощений показывающий распределение температур в стационарном режиме. Так что как говорится, любые совпадения - чистая случайность...

***************************************************

Как обычно, не стану приводить много конкретики по поводу принятых теплопроводностей и толщин материалов, ограничусь описанием лишь некоторых, предполагаем, что прочие элементы максимально близки к реальным конструкциям - теплофизические характеристики назначены верно, а толщины материалов адекватны реальным случаям строительной практики. Цель статьи получить рамочное представление о распределении температур на границе Здание-Грунт при различных условиях.

Немного о том, о чем нужно сказать. Рассчитываемые схемы в данном примере содержат 3 температурные границе, 1-я это внутренний воздух помещений отапливаемого здания +20 о С, 2-я это наружный воздух -10 о С (-28 о С), и 3-я это температура в толще грунта на определенной глубине, на которой она колеблется около некоторого постоянного значения. В данном примере принято значение этой глубины 8м и температура +10 о С. Вот тут со мной кто-то может поспорить в отношении принятых параметров 3-ей границы, но спор о точных значениях не является задачей данной статьи, равно как и полученные результаты не претендуют на особую точность и возможность привязки к какому-то конкретному проектному случаю. Повторюсь, задача - получить принципиальное, рамочное представление о распределении температур, и проверить некоторые устоявшиеся представления по данному вопросу.

Теперь непосредственно к делу. Итак тезисы, которые предстоит проверить.
1. Грунт под отапливаемым зданием имеет положительную температуру.
2. Нормативная глубина промерзания грунтов (тут скорее вопрос чем утверждение). Учитывается ли снежный покров грунта при приведении данных по промерзанию в геологических отчетах, ведь как правило территория вокруг дома очищается от снега, чистятся дорожки, тротуары, отмостка, парковка и пр.?

Промерзание грунта - это процесс во времени, поэтому для расчета примем наружную температуру равную средней температуре наиболее холодного месяца -10 о С. Грунт примем с приведенной лямбда = 1 на всю глубину.

Рис.1. Расчетная схема.

Рис.2. Изолинии температур. Схема без снежного покрова.

В целом под зданием температура грунта положительная. Максимумы ближе к центру здания, к наружным стенам минимумы. Изолиния нулевых температур по горизонтали лишь касается проекции отапливаемого помещения на горизонтальную плоскость.
Промерзание грунта вдали от здания (т.е. достижение отрицательных температур) происходит на глубине ~2.4 метра, что больше нормативного значения для выбранного условно региона (1.4-1.6м).

Теперь добавим 400мм снега среднеплотного с лямбда 0.3.

Рис.3. Изолинии температур. Схема со снежным покровом 400мм.

Изолинии положительных температур вытесняют отрицательные температуры наружу, под зданием только положительные температуры.
Промерзание грунта под снежным покровом ~1.2 метра (-0.4м снега = 0.8м промерзания грунта). Снежное "одеяло" значительно снижает глубину промерзания (почти в 3 раза).
Видимо наличие снежного покрова, его высота и степень уплотнения является величиной не постоянной, поэтому средняя глубина промерзания находится в диапазоне полученных результатов 2-х схем, (2.4+0.8)*0.5 = 1.6 метра, что соответствует нормативному значению.

Теперь посмотрим, что будет, если ударят сильные морозы (-28 о С) и простоят достаточно долго, чтобы тепловое поле стабилизировалось, при этом снеговой покров вокруг здания отсутствует.

Рис.4. Схема при -28 о С без снежного покрова.

Отрицательные температуры залезают под здание, положительные прижимаются к полу отапливаемого помещения. В районе фундаментов грунты промерзают. На удалении от здания грунты промерзают на ~4.7 метра.

См. предыдущие записи блога.

Температура внутри земли чаще всего является довольно субъективным показателем, поскольку точную температуру можно назвать только в доступных местах, например, в Кольской скважине (глубина 12 км). Но это место относится к наружной части земной коры.

Температуры разных глубин Земли

Как выяснили ученые, температура поднимается на 3 градуса каждые 100 метров вглубь Земли. Эта цифра является постоянной для всех континентов и частей земного шара. Такой рост температуры происходит в верхней части земной коры, примерно первые 20 километров, далее температурный рост замедляется.

Самый большой рост зафиксирован в США, где температура поднялась на 150 градусов за 1000 метров вглубь земли. Самый медленный рост зафиксирован в Южной Африке, столбик термометра поднялся всего лишь на 6 градусов по Цельсию.

На глубине около 35-40 километров температура колеблется в районе 1400 градусов. Граница мантии и внешнего ядра на глубине от 25 до 3000 км раскаляется от 2000 до 3000 градусов. Внутренние ядро нагрето до 4000 градусов. Температура же в самом центре Земли, по последним сведениям, полученным в результате сложных опытов, составляет около 6000 градусов. Такой же температурой может похвастаться и Солнце на своей поверхности.

Минимальные и максимальные температуры глубин Земли

При расчете минимальной и максимальной температуры внутри Земли в расчет не берут данные пояса постоянной температуры. В этом поясе температура является постоянной на протяжении всего года. Пояс располагается на глубине от 5 метров (тропики) и до 30 метров (высокие широты).

Максимальная температура была измерена и зафиксирована на глубине около 6000 метров и составила 274 градуса по Цельсию. Минимальная же температура внутри земли фиксируется в основном в северных районах нашей планеты, где даже на глубине более 100 метров термометр показывает минусовую температуру.

Откуда исходит тепло и как оно распределяется в недрах планеты

Тепло внутри земли исходит от нескольких источников:

1) Распад радиоактивных элементов ;

2) Разогретая в ядре Земли гравитационная дифференциация вещества ;

3) Приливное трение (воздействие Луны на Землю, сопровождающееся замедлением последней) .

Это некоторые варианты возникновения тепла в недрах земли, но вопрос о полном списке и корректности уже имеющегося открыт до сих пор.

Тепловой поток, исходящий из недр нашей планеты, изменяется в зависимости от структурных зон. Поэтому распределение тепла в месте, где находится океан, горы или равнины, имеет совершенно разные показатели.

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

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

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

Как работает геотермальное нагревание и охлаждение

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

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

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

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

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

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

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

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

Опыт использования геотермальных НВК систем

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

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

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

Разрушение мифов о геотермальных НВК системах

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

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

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

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

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

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

4. Геотермальные тепловые насосы НВК являются шумными.

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

5. Геотермальные системы в конечном итоге «стираются».

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

6. Геотермальные НВК системы работают только для нагрева.

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

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

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

8. Геотермальные НВК системы загрязняют землю хладагентами.

Факт: Большинство систем использует в петлях только воду.

9. Геотермальные НВК системы используют много воды.

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

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

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

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

По материалам: energyblog.nationalgeographic.com

Поверхностный слой почвы Земли - это естественный тепловой аккумулятор. Главный источник тепловой энергии, поступающей в верхние слои Земли - солнечная радиация. На глубине около 3 м и более (ниже уровня промерзания) температура почвы в течение года практически не меняется и примерно равна среднегодовой температуре наружного воздуха. На глубине 1,5-3,2 м зимой температура составляет от +5 до + 7 ° С, а летом от +10 до + 12 ° С. Этим теплом можно зимой не допустить замерзания дома, а летом не дать ему перегреться выше 18-20 ° С

Самым простым способом использования тепла земли является использование почвенного теплообменника (ПТО). Под землей, ниже уровня промерзания грунта, укладывается система воздуховодов, которые выполняют функцию теплообменника между землей и воздухом, который проходит по этих воздуховодах. Зимой входящий холодный воздух, который поступает в и проходит по трубам - нагревается, а летом - охлаждается. При рациональном размещении воздуховодов можно отбирать из почвы значительное количество тепловой энергии с небольшими затратами электроэнергии.

Можно использовать теплообменник «труба в трубе». Внутренние воздуховоды из нержавеющей стали выступают здесь в роли рекуператоров.

Охлаждение в летний период

Работа в межсезонье

Экономия в зимний период

Как рассчитываются затраты на подогрев и охлаждение воздуха

В межсезонье в течение 180 дней среднесуточная температура составляет + 5 ° С - ее нужно подогреть до + 20 ° С. Плановые расходы составляют 3305 кВт * ч, а геотермальные системы снизят затраты на 1322 или 1102 кВт * ч.

В летний период в течение 60 дней среднесуточная температура около + 20 ° С, но в течение 8 часов она находится в пределах + 26 ° С. Затраты для охлаждения составят 206 кВт * ч, а геотермальная система снизит затраты на 137 кВт * ч.

На протяжении года работу такой геотермальной системы оценивают с помощью коэффициента - SPF (фактор сезонной мощности), который определяется как отношение количества полученной тепловой энергии к количеству потребленной электрической с учетом сезонных изменений температуры воздуха/грунта.

Для получения от грунта 2634 кВт·ч тепловой мощности в год вентиляционной установкой тратится 635 кВт·ч электроэнергии.
SPF = 2634/635 = 4,14.
По материалам.