A dependência da temperatura do solo da profundidade. Pulou no tubo de solo economiza no aquecimento e refrigeração em casa

A temperatura do solo é continuamente variada em profundidade e tempo. Depende de vários fatores, dos quais muitos são difíceis de explicar. Para este último, por exemplo, refere-se: a natureza da vegetação, a exposição da encosta nas laterais da luz, a sombra, a cobertura de neve, a natureza dos próprios solos, a presença de águas superdimensionais, etc. No entanto, o A temperatura do solo, tanto em magnitude como pela natureza da distribuição, é preservada de ano a ano, e o efeito decisivo aqui permanece por trás da temperatura do ar.

Temperatura do solo em diferentes profundidadese em diferentes períodos do ano, pode ser obtido medições diretas nas habilidades térmicas, que são estabelecidas durante o processo de pesquisa. Mas esse método requer longas observações e despesas consideráveis, o que nem sempre é justificado. Os dados obtidos por um ou dois poços aplicam-se a grandes áreas e alongamento, distorcendo significativamente a validade para que os dados calculados sobre a temperatura do solo em muitos casos fossem mais confiáveis.

A temperatura do solo perplexosa qualquer profundidade (até 10 m da superfície) e por qualquer período do ano, pode ser determinado pela fórmula:

tr \u003d m °, (3.7)

onde Z é a contagem regressiva de profundidade da VGM, m;

tr - a temperatura do solo na profundidade de Z, em granizo.

τr- tempo igual a ano (8760 horas);

τ - o tempo contado para a frente (após 1º de janeiro) desde o início do outono congelamento do solo até o ponto para o qual a temperatura é conduzida, em H;

eXP X - Expositor ( função exponencial Exp é tomada em tabelas);

m - Coeficiente Dependendo do período do ano (para o período de outubro - pode m \u003d 1,5-0.05z, e para o período de junho - setembro m \u003d 1)

Sami. temperatura baixa Em uma determinada profundidade, será quando o cosseno na fórmula (3.7) se tornará igual a -1, isto é, a temperatura mínima do solo para o ano nesta profundidade será

tr min \u003d (1.5-0.05z) t °, (3.8)

A temperatura máxima do solo na profundidade z será quando o cosseno ter um valor igual a um.

tr max \u003d t °, (3.9)

Nas três fórmulas, o volume de capacidade de calor volumétrico com M deve ser calculado para a temperatura do solo t ° de acordo com a fórmula (3.10).

Com 1 m \u003d 1 / w, (3.10)

A temperatura do solo na camada de descongelamento sazonaltambém é possível determinar o cálculo, levando em conta que a mudança de temperatura nessa camada é bastante precificativamente aproximada por uma dependência linear nos seguintes gradientes de temperatura (Tabela 3.1).

Tendo calculado de acordo com uma das fórmulas (3.8) - (3.9) a temperatura do solo ao nível da VGM, isto é. Colocar Z \u003d 0 fórmulas, depois usando a Tabela 3.1, determinamos a temperatura do solo a uma determinada profundidade na camada de descongelamento sazonal. Nas camadas superiores do solo, a cerca de 1 m da superfície, a natureza das oscilações da temperatura é muito complexa.

Tabela 3.1.

Gradiente de temperatura em uma camada de descongelamento sazonal a uma profundidade abaixo de 1 m da superfície da Terra

Observação. O sinal de gradiente é mostrado na direção para a superfície do dia.

Para obter a temperatura estimada do solo em uma camada de medidor da superfície, você pode fazer o seguinte. Calcule a temperatura a uma profundidade de 1 m e a temperatura da superfície diária do solo, e depois por interpolação ao longo desses dois valores, determine a temperatura a uma determinada profundidade.

A temperatura na superfície do solo T P no período fria do ano pode ser tomada igual à temperatura do ar. No verão:

t n \u003d 2 + 1,15 t, (3.11)

onde a temperatura é a temperatura na superfície em graus.

t B é a temperatura do ar no grau.

Temperatura do solo com cryolitozone inclusivo É calculado de outra forma do que com a mesclagem. Praticamente podemos supor que a temperatura no nível da HM será igual a 0 ° C durante todo o ano. A temperatura estimada do solo da espessura perplexa em uma determinada profundidade pode ser determinada pela interpolação, acreditando que muda a uma profundidade de uma lei linear de T ° a uma profundidade de 10 m a 0 ° C a uma profundidade de NMM. A temperatura na camada de moldagem H T pode ser retirada de 0,5 a 1,5 ° C.

Na camada de congelamento sazonal h p, a temperatura do solo pode ser calculada da mesma forma que para uma camada de descongelamento sazonal de fundir a crioolitozona, isto é. Em uma camada h p - 1 m ao longo de um gradiente de temperatura (Tabela 3.1), contando a temperatura a uma profundidade de H n igual a 0 ° C no período frio do ano e 1 ° C no verão. Na camada superior do solo, a temperatura é determinada pela interpolação entre a temperatura a uma profundidade de 1 m e a temperatura na superfície.

A temperatura dentro da Terra é mais frequentemente um indicador bastante subjetivo, já que a temperatura exata só pode ser chamada nos lugares disponíveis, por exemplo, na Kola Bem (12 km de profundidade). Mas este lugar refere-se à parte externa da crosta terrestre.

Temperaturas de diferentes profundidades da terra

Como os cientistas descobriram, a temperatura sobe a 3 graus a cada 100 metros profundamente na terra. Este valor é constante para todos os continentes e peças globo. Tal aumento da temperatura ocorre na parte superior da crosta da Terra, sobre os primeiros 20 quilômetros, então o crescimento da temperatura diminui.

O maior crescimento foi registrado nos Estados Unidos, onde a temperatura aumentou 150 graus por 1000 metros profundamente na terra. O crescimento mais lento é fixado em África do SulA coluna do termômetro subiu apenas 6 graus Celsius.

A uma profundidade de cerca de 35-40 quilômetros, a temperatura flutua na área de 1400 graus. A fronteira do manto e o núcleo externo a uma profundidade de 25 a 3000 km é tarde de 2000 a 3000 graus. Núcleo interno aquecido a 4000 graus. A temperatura no centro da Terra, de acordo com as últimas informações obtidas como resultado de experimentos complexos, é de cerca de 6000 graus. O sol em sua superfície pode gabar a mesma temperatura.

Temperaturas profundas mínimas e máximas da Terra

Ao calcular a temperatura mínima e máxima dentro da Terra, o cálculo da correia de uma temperatura constante não é tomado. Neste cinturão, a temperatura é constante ao longo do ano. O cinto está localizado a uma profundidade de 5 metros (trópicos) e até 30 metros (altas latitudes).

A temperatura máxima foi medida e fixada a uma profundidade de cerca de 6000 metros e foi de 274 graus Celsius. A temperatura mínima dentro da terra é fixada principalmente nas regiões do norte do nosso planeta, onde mesmo a uma profundidade de mais de 100 metros, o termômetro mostra uma temperatura negativa.

De onde vem e como é distribuído nas profundezas do planeta

O calor dentro da terra vem de várias fontes:

1) Desintegração de elementos radioativos;

2) Aquecido no núcleo da diferenciação gravitacional da terra da substância;

3) Atrito maré (o impacto da lua no chão, acompanhado por uma desaceleração neste último).

Estas são algumas opções para a ocorrência de calor nas profundezas da Terra, mas a questão de lista completa E a exatidão do existente foi aberta até agora.

O fluxo térmico que sai das profundezas do nosso planeta varia dependendo das zonas estruturais. Portanto, distribuição de calor em um lugar onde o oceano, montanhas ou planícies está localizado, tem indicadores completamente diferentes.

"Usando a energia térmica térmica de baixa precisão da Terra em sistemas de bomba de calor"

Vasiliev G.P., Diretor Científico do Insolar - Invest OJSC, D.N., Presidente do Conselho de Administração do Insolar - Invest OJSC
N. V. Shilkin, Engenheiro, Niizf (Moscou)

Uso racional de recursos de combustível e energia Hoje representa um dos problemas mundiais globais, cuja solução de sucesso, aparentemente, terá importância decisiva não apenas para o desenvolvimento da comunidade global, mas também para manter seu habitat. Uma das formas promissoras de resolver este problema é aplicação de novas tecnologias de economia de energiaUsando fontes de energia renováveis \u200b\u200bnão tradicionais (NWIE) O esgotamento das reservas de combustíveis fósseis tradicionais e as conseqüências ambientais de sua queima levou a um aumento significativo de interesse nessas tecnologias em quase todos os países desenvolvidos do mundo nas últimas décadas.

As vantagens das tecnologias de fornecimento de calor utilizadas em comparação com suas contrapartes tradicionais estão associadas não apenas com reduções significativas de custos de energia nos sistemas de suporte de vida de edifícios e estruturas, mas também com a limpeza ambiental, bem como novas oportunidades no campo aumentando o grau de autonomia dos sistemas de suporte de vida. Aparentemente, num futuro próximo, essas qualidades serão decisivas na formação de uma situação competitiva no mercado de equipamentos geradores de calor.

Análise de possíveis aplicações na economia russa de tecnologias de poupança de energia usando fontes de energia não tradicionaisIsso mostra que na Rússia a área mais promissora de sua implementação são os sistemas de suporte de vida dos edifícios. Ao mesmo tempo, uma direção amplamente eficaz da introdução das tecnologias consideradas na prática da construção doméstica parece ser generalizada sistemas de bombeamento de calor de fornecimento de calor (TST)Apoiando como uma fonte onipresente de baixas camadas de superfície de solo potencial de terra.

Usando calor da terra Dois tipos de energia térmica podem ser distinguidos - alto precintivo e baixo precioso. A fonte de energia térmica alta precintiva é recursos hidrotermais - águas termais aquecidas como resultado de processos geológicos a uma alta temperatura, o que lhes permite ser usados \u200b\u200bpara fornecimento de calor de edifícios. No entanto, o uso de calor de calor de alta precisão é limitado por áreas com certos parâmetros geológicos. Na Rússia, isto é, por exemplo, Kamchatka, a área de águas minerais caucasianas; Na Europa, fontes de calor de alta precisão estão na Hungria, na Islândia e na França.

Em contraste com o uso "direto" de calor de alta precificação (recursos hidrotermais), uso de calor da terra de baixa precisão Através de bombas térmicas, é quase em todos os lugares. Atualmente, esta é uma das áreas de uso mais desenvolvendo dinamicamente. fontes de energia renováveis \u200b\u200bnão tradicionais.

Calor de terra baixa potencial Pode ser usado em vários tipos de edifícios e estruturas em muitos aspectos: para aquecimento, abastecimento de água quente, ar condicionado (arrefecimento), pistas de aquecimento na temporada de inverno, para evitar a cereja, campos de aquecimento em estádios abertos, etc. em inglês literatura técnica tais sistemas designados como "ghp" - "bombas de calor geotérmicas", bombas térmicas geotérmicas.

As características climáticas dos países da Europa Central e do Norte, que, juntamente com os Estados Unidos e o Canadá, são as principais áreas de uso de calor térmico de baixa preciosa, determinam a principal necessidade de aquecimento; O ar resfriamento mesmo no período de verão é necessário relativamente raramente. Portanto, ao contrário dos Estados Unidos, bombas de calor Nos países europeus, eles trabalham principalmente no aquecimento. NOS ESTADOS UNIDOS bombas de calor mais frequentemente usado em sistemas aquecimento do arCombinado com ventilação, que permite aquecer e esfriar o ar externo. Nos países europeus bombas de calor Geralmente usado em sistemas de aquecimento de água. Na medida em que eficiência de bombas térmicas Aumenta-se com uma diminuição na diferença na temperatura do evaporador e do condensador, muitas vezes para o aquecimento de edifícios, são utilizados sistemas de aquecimento de piso, no qual o refrigerante é circulada temperaturas relativamente baixas (35-40 OC).

A maioria bombas de calor Na Europa, destinada ao uso de calor de calor de baixa precisão, equipado com compressores eletricamente acionados.

Nos últimos dez anos, o número de sistemas usados \u200b\u200bpara o calor e o fornecimento a frio de edifícios baixo poderoso calor de terra através de bombas de calor, Aumentou significativamente. O maior número de tais sistemas é usado nos Estados Unidos. Um grande número de tais sistemas operam no Canadá e nos países da Europa Central e do Norte: Áustria, Alemanha, Suécia e Suíça. A Suíça está liderando a magnitude do uso de energia térmica baixa preciosa da Terra per capita. Na Rússia, nos últimos dez anos, a tecnologia e com a participação do INSOLAR-INVEST OJSC, especializada nesta área, apenas objetos únicos são construídos, os mais interessantes dos quais são apresentados.

Em Moscou, no microdistrito Nikulino-2, primeiro foi construído pela primeira vez sistema de abastecimento de água quente com base no calor Edifício residencial multi-andar. Este projeto foi implementado em 1998-2002 pelo Ministério da Defesa da Federação Russa, juntamente com o Governo de Moscou, o Ministério da Indústria da Rússia, a Associação AVOK NP e dentro de "Programa de poupança de energia a longo prazo em Moscou".

Como fonte de energia térmica de baixo potencial para evaporadores de bombas de calor, é utilizado o calor das camadas superficiais da terra, bem como o calor do ar de ventilação removido. A instalação para a preparação de água quente está localizada no porão do edifício. Inclui os seguintes elementos principais:

• parokompression de plantas de bombeamento de calor (TNU);
• baterias de água quente;
• o sistema de coleta para a energia térmica térmica de baixa precisão do solo e calor de baixo potencial do ar de ventilação removido;
• bombas de circulação, instrumentação

O principal elemento de troca de calor do sistema de coleta de calor de baixa precisão é o trocadores de calor do tipo coaxial vertical do solo, localizados fora do perímetro do edifício. Estes trocadores de calor são 8 poços de profundidade de 32 a 35 m cada, dispostos perto da casa. Desde o modo de operação de bombas térmicas usando terra de calor E o calor do ar removido, permanente e o consumo de água quente é variável, o sistema de abastecimento de água quente é equipado com baterias.

Dados que avaliam o nível global de uso de energia de calor de baixa precisão por bombas de calor são mostrados na tabela.

Tabela 1. O nível global de uso da energia térmica de baixa precisão da Terra através de bombas de calor

Solo como uma fonte de energia térmica de baixa precisão

A água subterrânea com temperaturas relativamente baixas ou solo superficial (profundidade de 400 m) da terra pode ser usada como uma fonte de energia térmica de baixa precisão.. A geração de calor da matriz de terra é geralmente maior. O modo de calor do solo de camadas superficiais da Terra é formado sob a ação de dois fatores principais - caindo na superfície radiação solar e um fluxo de calor radiogênico do subsolo terrestre. Mudanças sazonais e diárias na intensidade da radiação solar e da temperatura do ar externo causam flutuações na temperatura das camadas superiores do solo. A profundidade de penetração de oscilações diárias da temperatura do ar externo e a intensidade da radiação solar incidente, dependendo dos condições específicas do solo e climáticas, varia de várias dezenas de centímetros a um metro e meio. A profundidade da penetração de oscilações sazonais da temperatura do ar externo e a intensidade da radiação solar incidente não excede, como regra, 15-20 m.

O regime de temperatura das camadas do solo localizadas abaixo desta profundidade ("zona neutra") é formada sob a influência da energia térmica proveniente dos intestinos da terra e é praticamente independente de mudanças sazonais e ainda mais diárias nos parâmetros do clima externo (Fig. 1).

FIG. 1. Agendar a mudança na temperatura do solo, dependendo da profundidade

Com profundidade crescente, a temperatura do solo aumenta de acordo com o gradiente geotérmico (aproximadamente 3 graus a cada 100 m). A magnitude do fluxo de calor radiogênico proveniente das profundezas da Terra para localidade diferente varia. Para a Europa Central, esse valor é de 0,05-0,12 p / m2.

No período operacional, uma matriz do solo, localizada dentro da zona de influência térmica do gasoduto do trocador de calor do solo do sistema de coleta de calor de baixa precisão (sistema de calor), devido à mudança sazonal nos parâmetros climáticos externos, Bem como sob a influência de cargas operacionais no sistema de fornecimento de calor, por via de regra, é submetido a vários congelamentos e descongelamento. Ao mesmo tempo, naturalmente, uma mudança no estado agregado de umidade concluída nos poros do solo e em geral, tanto em fases líquidas quanto em sólidas e gasosas simultaneamente. Em outras palavras, a matriz do solo do sistema de fornecimento de calor, independentemente de qual estado é (em um murmúrio ou alto), é um sistema heterogêneo trifásico complexo, cujo esqueleto é formado por uma enorme quantidade de Partículas sólidas de uma variedade de forma e valor e podem ser tão difíceis, tão e móveis, dependendo se as partículas estão firmemente conectadas ou sejam separadas entre si na fase móvel. As lacunas entre partículas sólidas podem ser preenchidas com umidade mineralizada, gás, ferry e gelo ou outro ao mesmo tempo. Modelagem dos processos de transferência de massa-calor, formando o regime térmico de tal sistema multicomponente, é uma tarefa extremamente complexa, uma vez que requer uma consideração e descrição matemática de vários mecanismos de sua implementação: condutividade térmica em uma partícula separada, transferência de calor de Uma partícula para outra com o seu contato, a condutividade térmica molecular no ambiente, enchendo as lacunas entre as partículas, a convecção do vapor e a umidade contida no espaço do poro, e muitos outros.

Deve ser especialmente destacado sobre o efeito da humidade da umidade e a migração de umidade em seu espaço de poros em processos térmicos que determinam as características do solo como fonte de energia térmica baixa preciosa.

Nos sistemas colil-porosos, que é uma matriz do solo do sistema de fornecimento de calor, a presença de umidade no espaço do poro tem um efeito perceptível no processo de propagação de calor. A contabilidade correta desta influência hoje está associada a dificuldades significativas que estão principalmente associadas à falta de idéias claras sobre a natureza da distribuição das fases sólidas, líquidas e gasosas de umidade em uma ou outra estrutura do sistema. A natureza das forças de comunicação de umidade com as partículas de esqueleto, a dependência de formas de comunicação de umidade com o material em vários estágios hidratantes, o mecanismo de movimento de umidade no espaço do poro ainda não é esclarecido.

Se houver uma matriz de solo de um gradiente de temperatura, a molécula de vapor é movida para lugares com um potencial de temperatura reduzido, mas ao mesmo tempo, o fluxo de umidade opostamente direcionado na fase líquida ocorre sob a ação das forças gravitacionais. Além disso, a influência da umidade afeta o regime de temperatura das camadas superiores do solo oSPALKOV atmosférico, bem como águas subterrâneas.

Os principais fatores sob a influência dos quais são formados modo de temperatura O maciço do solo dos sistemas de coleta de calor do solo de baixa precisão é mostrado na FIG. 2.

FIG. 2. Fatores sob a influência dos quais a temperatura do solo é formada

Tipos de sistemas de uso da energia de energia de calor de baixa potência

Trocadores de calor terrestres estão associados equipamento de bomba de calor Com uma matriz de solo. Além da "extração" do calor da terra, os trocadores de calor do solo também podem ser usados \u200b\u200bpara acumular calor (ou frio) em uma matriz de solo.

No caso geral, dois tipos de uso de energia de calor de baixa potência da terra podem ser distinguidos:

• sistemas abertos: Como fonte de energia térmica de baixa precisão, são usadas as águas subterrâneas, resumidas diretamente às bombas de calor;
• sistemas fechados: Trocadores de calor estão localizados em uma matriz de solo; Ao circulando neles, o refrigerante com uma temperatura inferior do solo é "seleção" de energia térmica do solo e transferi-lo para o evaporador bomba térmica (ou, ao usar o refrigerante com aumento em relação à temperatura do solo, esfriando-a).

A parte principal dos sistemas abertos - poços, permitindo extrair as águas subterrâneas do aquífero do solo e devolver a água para os mesmos aquíferos. Normalmente, os poços de par são organizados para isso. O esquema de tal sistema é mostrado na Fig. 3.

FIG. 3. Esquema de um sistema aberto para usar energia térmica de baixa precisão de água subterrânea

A vantagem dos sistemas abertos é a possibilidade de obter uma grande quantidade de energia térmica a custos relativamente baixos. No entanto, os poços exigem manutenção. Além disso, o uso de tais sistemas não é possível em todas as localidades. Os principais requisitos para o solo e as águas subterrâneas são os seguintes:

• permeabilidade de água suficiente do solo, permitindo que você seja reabastecido por reservas de água;
• boa composição química Água subterrânea (por exemplo, ferro baixo), que permite evitar problemas associados à formação da detecção nas paredes de tubos e corrosão.

Os sistemas abertos são mais frequentemente usados \u200b\u200bpara o calor ou resfriamento de grandes edifícios. O maior sistema de bomba de calor geotérmico do mundo Usa como fonte de água subterrânea de energia térmica de baixa precisão. Este sistema está localizado nos EUA em Louisville (Louisville), Kentucky. O sistema é usado para o calor e resfriamento do complexo físico do hotel; Sua capacidade é de aproximadamente 10 mw.

Às vezes, os sistemas que usam o calor da Terra incluem os sistemas de uso de calor de baixa precisão de reservatórios abertos, naturais e artificiais. Esta abordagem é adotada, em particular, nos Estados Unidos. Os sistemas que utilizam calor de baixa precisão dos corpos de água pertencem a abrir, bem como sistemas utilizando calor de baixa precisão de água subterrânea.

Os sistemas fechados, por sua vez, são divididos em horizontal e vertical.

Trocador de calor do solo horizontal(Na literatura em inglês, os termos "coletor de calor do solo" e "loop horizontal") são usados, por via de regra, ao lado da casa em uma pequena profundidade (mas abaixo do nível de congelamento no solo no inverno). O uso de permutadores de calor do solo horizontal é limitado aos tamanhos do site disponível.

Nos países da Europa Ocidental e Central, os trocadores de calor do solo horizontal são geralmente tubos separados, que são relativamente apertados e interconectados em série ou em paralelo (Fig. 4A, 4B). Para salvar a área do site, foram desenvolvidos tipos de trocadores de calor, por exemplo, permutadores de calor na forma de uma hélice, localizados horizontalmente ou verticalmente (Figura 4D, 4E). Tal forma de trocadores de calor é distribuída nos Estados Unidos.

FIG. 4. Tipos de permutadores de calor do solo horizontal
A - permutador de calor de tubos sequencialmente conectados;
B - permutador de calor de tubos conectados paralelos;
B é um coletor horizontal colocado em uma trincheira;
G é um trocador de calor na forma de um loop;
d - trocador de calor na forma de uma espiral localizada horizontalmente (o chamado colecionador "slinky";
E - permutador de calor na forma de uma espiral localizada verticalmente

Se o sistema com permutadores de calor horizontais for usado apenas para obter calor, seu funcionamento normal é possível apenas sob a condição de ganho suficiente de calor da superfície da Terra devido à radiação solar. Por esta razão, a superfície acima dos trocadores de calor deve ser exposta à luz solar.

Trocadores de calor verticais do solo (Na literatura em inglês, a designação "bhe" - "trocador de calor de furo") permite que você use a energia térmica de baixa precisão do maciço subjacente à "zona neutra" (10-20 m do nível de terra ). Os sistemas com trocadores de calor verticais não exigem seções de uma grande área e não dependem da intensidade da radiação solar na superfície. Trocadores de calor verticais trabalham efetivamente em quase todos os tipos de ambientes geológicos, com exceção de baixos solos de calor, como areia seca ou cascalho seco. Sistemas com trocadores de calor verticais do solo foram muito difundidos.

Esquema de aquecimento e abastecimento de água quente de um edifício residencial de qualidade única por meio de uma instalação de bomba de calor com um trocador de calor vertical do solo é mostrado na FIG. cinco.

FIG. 5. Esquema de abastecimento de aquecimento e água quente de um edifício residencial unidirecionado por meio de uma instalação de bomba de calor com um trocador de calor vertical do solo

O refrigerante circula através de tubos (na maioria das vezes polietileno ou polipropileno) colocado na profundidade vertical dos poços de 50 a 200 m. Normalmente, dois tipos de trocadores de calor verticais são usados \u200b\u200b(Fig. 6):

• Trocador de calor em forma de U, que são dois tubos paralelos conectados na parte inferior. Um ou dois (menos frequentemente três) pares de tais tubos estão localizados em um poço. A vantagem de tal esquema é um custo relativamente baixo de fabricação. Trocadores de calor duplos em forma de U - o tipo mais utilizado de trocadores de calor verticais do solo usado na Europa.
• Trocador de calor coaxial (concêntrico). O mais simples permutador de calor coaxial é dois tubos de vários diâmetros. O diâmetro menor do tubo está localizado dentro de outro tubo. Trocadores de calor coaxial podem ser configurações mais complexas.

FIG. 6. Seção tipos diferentes Trocadores de calor verticais do solo

Para aumentar a eficiência dos trocadores de calor, o espaço entre as paredes do poço e os tubos é preenchido com materiais de condutores térmicos especiais.

Sistemas com permutadores de calor verticais podem ser usados \u200b\u200bpara calor e resfriamento de edifícios de vários tamanhos. Para um pequeno edifício, um permutador de calor é suficiente; Para grandes edifícios, você pode precisar de um dispositivo para um grupo inteiro de poços com permutadores de calor verticais. Os maiores poços do mundo é usado no sistema de resfriamento e resfriamento de Richard Stockton College nos EUA em Nova Jersey. Permutadores de calor verticais do solo desta faculdade estão localizados em 400 poços em uma profundidade de 130 m. Na Europa, o maior número de poços (154 poços de profundidade 70 m) são usados \u200b\u200bno sistema de calor e fornecimento frio do escritório central do Serviço de gerenciamento de movimento aéreo alemão ("Deutsche Flug-Sicherung").

Um caso especial de sistemas fechados verticais é o uso de estruturas de construção como trocadores de calor no solo, como pilhas fundamentais com vice-gasodutos. A seção transversal de tais pilhas com três contornos do trocador de calor do solo é mostrada na FIG. 7.

FIG. 7. Esquema de permutadores de calor do solo, depositados nas festas da fundação do edifício e seção transversal de tal pilha

A matriz do solo (no caso de trocadores de calor vertical de calor) e estruturas de construção com trocadores de calor do solo podem ser usados \u200b\u200bnão apenas como uma fonte, mas também como uma bateria natural de energia térmica ou "frio", por exemplo, calor de radiação solar .

Existem sistemas que não podem ser inequivocamente atribuídos a abrir ou fechar. Por exemplo, um e o mesmo profundo (profundidade de 100 a 450 m) bem cheio de água pode ser operacional e injeção. O diâmetro do poço é geralmente de 15 cm. A bomba é colocada na parte inferior do poço, pelo qual a água do poço é fornecida aos evaporadores da bomba de calor. A água reversa retorna à parte superior da coluna da água no mesmo poço. Há um encaixe constante da água bem subterrânea, e o sistema aberto funciona como fechado. Os sistemas desse tipo em literatura de língua inglesa são chamados de "sistema de poço de coluna permanente" (Fig. 8).

FIG. 8. Esquema de Bem Tipo "Coluna Permanente Bem"

Normalmente, os poços deste tipo são usados \u200b\u200be para fornecer o prédio com água potável.. No entanto, esse sistema pode funcionar eficientemente apenas nos solos que fornecem uma alimentação constante com água, o que impede seu congelamento. Se o aquífero reside muito profundamente, o funcionamento normal do sistema exigirá uma bomba poderosa que requer maiores custos de energia. A alta profundidade do poço determina o custo razoavelmente alto desses sistemas, para que eles não sejam usados \u200b\u200bpara o calor e resfriamento de pequenos edifícios. Agora existem vários desses sistemas nos Estados Unidos, na Alemanha e na Europa.

Uma das instruções promissoras é usar como fonte de energia térmica baixa preciosa de água de minas e túneis. A temperatura desta água é constante ao longo do ano. A água de minas e túneis é facilmente acessível.

"Estabilidade" de sistemas para usar calor de calor baixo precioso

Ao operar um trocador de calor do solo, uma situação pode ocorrer quando durante a temporada de aquecimento a temperatura do solo perto do trocador de calor do solo diminui, e no verão, o solo não tem tempo para aquecer a temperatura inicial - seu potencial de temperatura diminui. O consumo de energia durante a próxima temporada de aquecimento provoca uma diminuição ainda maior na temperatura do solo, e seu potencial de temperatura diminui ainda mais. Isso faz com que a criação de sistemas uso de calor da terra de baixa precisão Considere o problema de sustentabilidade de tais sistemas. Muitas vezes, os recursos energéticos para reduzir o período de descarte de equipamentos são explorados muito intensamente, o que pode levar à sua rápida exaustão. Portanto, é necessário manter este nível de produção de energia, o que permitiria explorar a fonte de recursos energéticos por um longo tempo. Essa capacidade de sistemas mantém o nível exigido de produção de energia térmica por um longo tempo é chamado de "sustentabilidade). Para sistemas de uso de baixa potência calor da terra A seguinte definição de sustentabilidade é dada: "Para cada sistema de usar calor térmico de baixa preciosa e para cada modo de operação deste sistema, há algum nível máximo de produção de energia; A produção de energia abaixo deste nível pode ser mantida por um longo tempo (100-300 anos). "

Conduzido por OJSC "Invest Insolar" Estudos mostraram que o consumo de energia térmica do maciço do solo até o final da época de aquecimento causa um sistema de fornecimento de aquecimento sob o registro da temperatura do solo, que está no solo condições climáticas A maior parte do território da Rússia não tem tempo para ser compensada no período de verão do ano, e no início da próxima temporada de aquecimento, o solo sai com um potencial de temperatura reduzido. O consumo de energia térmica durante a próxima época de aquecimento provoca mais uma diminuição na temperatura do solo, e no início da terceira temporada de aquecimento, seu potencial de temperatura é ainda mais diferente do natural. Etc. No entanto, o envelope da influência térmica da operação de longo prazo do sistema de fornecimento de calor no regime de temperatura natural do solo tem um caractere exponencial pronunciado, e pelo quinto ano de operação, o solo chega a um novo regime próximo a Periódica, isto é, a partir do quinto ano de exploração, muitos anos de consumo de energia térmica do maciço do solo Os sistemas de fornecimento de calor são acompanhados por mudanças periódicas em sua temperatura. Assim, ao projetar sistemas de bomba de calor de fornecimento de calor Parece necessário explicar a queda na temperatura da matriz do solo causada por muitos anos de exploração do sistema de coleta de calor, e uso como parâmetros calculados das temperaturas da matriz do solo esperado para o 5º ano de operação do TST.

Em sistemas combinados.Utilizou tanto para o calor como para o fornecimento a frio, o balanço de calor é definido automaticamente ": no inverno (o fornecimento de calor é necessário) está esfriando o maciço do solo, no verão (resfriamento é necessário) - Aquecimento da matriz do solo. Em sistemas usando calor de baixa precisão de água subterrânea, há uma constante reabastecimento de reservas de água devido à água, vazando da superfície, e a água proveniente das camadas mais profundas do solo. Assim, a geração de calor de águas subterrâneas aumenta como "top" (devido ao calor ar atmosférico) e "inferior" (devido ao calor da terra); A magnitude do ganho de calor "de cima" e "inferior" depende da espessura e profundidade do bombardeio do aquífero. Devido a estes ganho de calor, a temperatura da água subterrânea permanece constante durante toda a temporada e muda pouco durante a operação.

Em sistemas com permutadores de calor vertical do solo, a situação é diferente. Quando o calor é tocado, a temperatura do solo ao redor do trocador de calor do solo diminui. A temperatura diminui os recursos do design do permutador de calor e do seu modo de operação. Por exemplo, em sistemas com altos valores de energia térmica atribuídos (várias dúzias de watts por comprimento do trocador de calor) ou em sistemas com trocador de calor solo, localizado em baixa condutividade térmica (por exemplo, em areia seca ou cascalho seco) Uma diminuição da temperatura será particularmente perceptível e pode levar a congelar o maciço do solo ao redor do trocador de calor do solo.

Especialistas alemães realizaram medições da temperatura do maciço do solo, em que um trocador de calor vertical de solo é organizado com uma profundidade de 50 m, localizado perto de Frankfurt am Main. Para isso, em torno do poço principal a uma distância de 2,5, 5 e 10 m de 9 poços foram perfurados pela mesma profundidade. Em todos os dez poços a cada 2 m, os sensores foram instalados para medir a temperatura - apenas 240 sensores. Na Fig. 9 mostra os esquemas que mostram a distribuição de temperatura na matriz do solo em torno do trocador de calor vertical do solo no início e no final da primeira temporada de aquecimento. No final da época de aquecimento, a temperatura do maciço do solo em torno do permutador de calor é bem perceptível. Há um fluxo de calor dirigido ao trocador de calor da matriz do solo circundante, que compensa parcialmente a diminuição da temperatura do solo causada pela "seleção" de calor. A magnitude deste fluxo em comparação com a quantidade de fluxo de calor das profundezas da Terra nesta área (80-100 MW / SQ.m) é estimada bastante alta (vários watts por metro quadrado).

FIG. 9. Esquemas de distribuição de temperatura na matriz do solo em torno do trocador de calor vertical do solo no início e no final da primeira temporada de aquecimento

Como a propagação relativamente generalizada de trocadores de calor verticais começaram a receber aproximadamente 15-20 anos atrás, há uma falta de dados experimentais obtidos com operações de longo prazo (várias décadas) de sistemas com permutadores de calor deste tipo. A questão da sustentabilidade desses sistemas, sobre sua confiabilidade em longas operações. É o calor de baixo potencial da terra com uma fonte substantiva de energia? Qual é o período de "renovação" dessa fonte?

Ao operar uma escola rural na região de Yaroslavl equipada sistema de bomba de calorUsando um trocador de calor vertical do solo, os valores médios do fornecimento de calor específico foram a 120-190 w / po. M do comprimento do permutador de calor.

Desde 1986, um sistema com permutadores de calor verticais foi estudado na Suíça perto de Zurique. Na matriz do solo, um trocador de calor vertical de calor de um tipo coaxial é organizado em uma profundidade de 105 m. Este permutador de calor foi usado como fonte de energia térmica de baixa precisão para um sistema de bomba de calor instalado em uma residência residencial de cabeça única prédio. O trocador de calor vertical do solo forneceu uma potência de pico de cerca de 70 w por metro de comprimento, o que criou uma carga de calor significativa na matriz de solo circundante. A produção anual de energia térmica é de cerca de 13 mw

A uma distância de 0,5 e 1 m do poço principal, dois adicional, no qual os sensores de temperatura foram instalados a 1, 65, 85 e 105 m a profundidade de 1, 65, 85 e 105 m, após o que os poços eram mistura de cimento de argila enchida. Temperatura medida a cada trinta minutos. Além da temperatura do solo, outros parâmetros foram registrados: a velocidade do líquido refrigerante, o consumo de energia da unidade de compressor da bomba térmica, temperatura do ar, etc.

O primeiro período de observação continuou de 1986 a 1991. As medições mostraram que o efeito do calor do ar externo e da radiação solar é observado na camada superficial do solo a uma profundidade de 15 m. Abaixo está o modo térmico do solo é formado principalmente devido ao calor do imortal da Terra. Para os primeiros 2-3 anos de operação temperatura do maciço do soloCercando o trocador de calor vertical diminuiu, mas a cada ano a diminuição da temperatura foi diminuída, e depois de alguns anos o sistema saiu no modo próximo a constante quando a temperatura da matriz do solo em torno do trocador de calor foi menor do que o 1- 2 OC.

No outono de 1996, dez anos após o início da operação do sistema, as medições foram retomadas. Essas medições mostraram que a temperatura do solo não mudou significativamente. Nos anos subsequentes, pequenas flutuações na temperatura do solo dentro de 0,5 graus C são registradas dependendo da carga anual de aquecimento. Assim, o sistema entrou no regime de quase-estação após os primeiros anos de operação.

Com base nos dados experimentais, os modelos matemáticos dos processos que passam na matriz do solo foram construídos, o que tornou possível fazer uma previsão de longo prazo para a temperatura da matriz do solo.

A modelagem matemática mostrou que a diminuição anual da temperatura diminuirá gradualmente, e o volume do maciço do solo ao redor do permutador de calor, exposto a uma diminuição da temperatura, aumentará todos os anos. No final do período de operação, o processo de regeneração começa: a temperatura do solo começa a subir. A natureza do processo de recuperação é semelhante à natureza do processo de "seleção" do calor: nos primeiros anos de operação há um aumento acentuado na temperatura do solo, e nos anos subsequentes a taxa de aumento da temperatura diminui. A duração do período de "regeneração" depende da duração do período de operação. Esses dois períodos são aproximadamente os mesmos. No caso em consideração, o período de operação do trocador de calor do solo foi igual a trinta anos, e o período de "regeneração" também é estimado com a idade de trinta anos.

Assim, os sistemas de calor e fornecimento a frio de edifícios usando calor de baixa precisão da Terra são uma fonte confiável de energia que pode ser usada em todos os lugares. Esta fonte pode ser usada há muito tempo e pode ser retomada no final do período de operação.

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14. Vasiliev G.P. Edifício residencial experimental energeticamente eficiente em Nikulino-2 microdistrict. AVOK №4, 2002

Para simular campos de temperatura e para outros cálculos, é necessário descobrir a temperatura do solo a uma determinada profundidade.

A temperatura do solo em profundidade é medida usando termômetros de profundidade do solo de exaustão. Estes são estudos planejados que regularmente realizam estações meteorológicas. Os dados de pesquisa servem como base para atlas climáticas e documentação regulatória.

Para obter a temperatura do solo a uma determinada profundidade, você pode tentar, por exemplo, dois maneira simples. Ambas as formas são usar livros de referência:

1. Para determinação de temperatura aproximada, você pode usar o documento CPI-22. "Transições ferrovias oleodutos ". Aqui, no âmbito da técnica de cálculo de engenharia térmica de gasodutos, a Tabela 1 é dada, onde para certas regiões climáticas, os valores da temperatura do solo são dados, dependendo da profundidade da medição. Eu cito esta mesa aqui abaixo.

tabela 1

1. Tabela de temperatura do solo em várias profundidades da fonte "para ajudar o funcionário da indústria de gás" da URSS

Profundidades de drenagem regulatória para algumas cidades:

A profundidade do primer do solo depende do tipo de solo:

Eu acho que a opção mais fácil é aproveitar os dados de referência acima e depois interpolar.

A opção mais confiável para cálculos precisos usando as temperaturas do solo é usar os dados de serviços meteorológicos. Com base em serviços meteorológicos, existem alguns diretórios online. Por exemplo, http://www.atlas-yakutia.ru/.

É o suficiente para escolher aqui localidade, tipo de solo e pode ser obtido cartão de temperatura Solo ou seus dados em forma tabular. Em princípio, é conveniente, mas parece que esse recurso é pago.

Se você conhece mais maneiras de determinar a temperatura do solo em uma determinada profundidade, por favor, escreva comentários.

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Temperatura dentro da terra. A determinação da temperatura nas conchas da Terra é baseada em dados diversos, muitas vezes indiretos. Os dados de temperatura mais confiáveis \u200b\u200bpertencem à parte superior da crosta da Terra, revelados por minas e perfurando poços à profundidade máxima - 12 km (Kola Bem).

O aumento da temperatura em graus Celsius por unidade de profundidade chamada gradiente geotérmico E a profundidade dos metros, durante as quais a temperatura aumenta em 1 0 c - passo geotérmico. O gradiente geotérmico e, respectivamente, o palco geotérmico varia do lugar para o local, dependendo das condições geológicas, atividade endógena em vários distritos, bem como a condutividade térmica não homogênea das rochas. Ao mesmo tempo, de acordo com B. Gutenberg, os limites das oscilações diferem em mais de 25 vezes. Um exemplo disso é dois gradientes duros diferentes: 1) 150 O por 1 km em Oregon (EUA), 2) 6 O por 1 km registrado na África do Sul. Assim, esses gradientes geotérmicos muda e um passo geotérmico de 6,67 m no primeiro caso a 167 m - no segundo. As oscilações mais freqüentemente encontradas do gradiente dentro de 20-50 o, e o estágio geotérmico de -15-45 m. O gradiente geotérmico médio foi aceito há muito tempo em 30 O com 1 km.

De acordo com V.n. Zharkova, um gradiente geotérmico perto da superfície da Terra é estimado em 20 O com 1 km. Se prosseguirmos desses dois valores do gradiente geotérmico e é invariavelmente para as profundezas da Terra, então a uma profundidade de 100 km havia uma temperatura de 3000 ou 2000 o C. No entanto, ele se dissipa com os dados reais . É nessas profundidades que ocorrem focos magmáticos ocasionalmente, dos quais é vertida na superfície da lava, que tem uma temperatura máxima de 1200-1250 o. Dado este "termômetro" peculiar, um número de autores (V. A. Lyubimov, V. A. Magnitsky) acredita que a uma profundidade de 100 km, a temperatura não pode exceder 1300-1500 O C.

Em temperaturas mais altas, a raça do manto seria completamente derretida, o que contradiz a passagem livre de ondas sísmicas transversais. Assim, o gradiente geotérmico médio é rastreado apenas para alguma profundidade relativamente pequena da superfície (20-30 km), e então deve diminuir. Mas mesmo neste caso, a mudança de temperatura com a profundidade de desigual no mesmo lugar. Isso pode ser visto no exemplo de uma mudança de temperatura com uma profundidade de um kola bem localizado dentro do escudo de plataforma de cristal sustentável. Quando este bem, foi calculado no gradiente geotérmico 10 O por 1 km e, portanto, à profundidade de design (15 km), houve uma temperatura de cerca de 150 o C. No entanto, tal gradiente era apenas antes da profundidade de 3 km, e então começou a aumentar em 1,5 -2,0 vezes. A uma profundidade de 7 km, a temperatura foi de 120 o C, 10 km a C, 12 km a C, É assumido que na profundidade de design a temperatura será próxima de 280 o C. O segundo exemplo é Os dados sobre o poço incorporado no North Caspiani, na área de um regime endógeno mais ativo. Nele, a uma profundidade de 500 m, a temperatura acabou por ser igual a 42,2 o C, em 1500 m-69,9O C, até 2000 M-80.4 o C, por 3000 m - 108,3 o C.

Qual é a temperatura nas zonas mais profundas do manto e do núcleo da terra? Dados mais ou menos confiáveis \u200b\u200bobtidos na temperatura da base da camada no manto superior (ver Fig. 1.6). De acordo com a VN Zharkova, "estudos detalhados do diagrama de fase MG 2 SiO4 - Fe 2 Si0, possibilitou determinar a temperatura de referência a uma profundidade correspondente à primeira zona de transições de fase (400 km)" (ou seja, a transição de olivina para espinel). Temperatura aqui como resultado dos estudos indicados sobre 1600 50 o C.

A questão da distribuição de temperaturas no manto abaixo da camada e o kernel da Terra ainda não está resolvida, e, portanto, várias ideias são expressas. Só pode ser assumido que a temperatura com profundidade aumenta com uma diminuição significativa no gradiente geotérmico e aumentando o estágio geotérmico. Assume-se que a temperatura no kernel da Terra está dentro de 4000-5000 o C.

A composição média química da Terra. Para julgamentos sobre a composição química da Terra, os dados sobre os meteoritos são atraídos pelas amostras mais prováveis \u200b\u200bdo material protoplanetário da qual os planetas do grupo da Terra e asteróides foram formados. Até o momento, foi bem estudado por muitos derrubados à terra em tempos diferentes e B. lugares diferentes Meteoritos. Três tipos de meteoritos são distinguidos na composição: 1) ferro consistindo principalmente de glândula de níquel (90-91% fe), com uma pequena mistura de fósforo e cobalto; 2) ferro (siderolites) consistindo de minerais de ferro e silicato; 3) pedra ou aerólitos Consistindo principalmente de silicatos de ferro-magnésia e inclusões de níquel-ferro.

Meteoritos de pedra são a maior distribuição, cerca de 92,7% de todos os encontros, 1,3% de ferro e ferro 5,6%. Meteoritos de pedra são divididos em dois grupos: a) Condritos com pequenos grãos arredondados - Honds (90%); b) Ahondrita, não contendo Hondr. A composição de meteoritos de pedra é perto de rochas magmáticas ultrabásicas. De acordo com M. Bott, há cerca de 12% dos PHs de ferro.

Com base na análise da composição de vários meteoritos, bem como os dados geoquímicos e geofísicos experimentais obtidos, vários pesquisadores recebem uma avaliação moderna da composição elementar bruta da Terra, apresentada na tabela. 1.3.

Como pode ser visto a partir dos dados da tabela, o aumento da distribuição pertence aos quatro elementos mais importantes - O, Fe, SI, MG, que é mais de 91%. O grupo de elementos menos comuns inclui Ni, S, CA, A1. Os restantes elementos do sistema periódico de Mendeleev em escala global para distribuição geral são de importância secundária. Se compararmos os dados com a composição da crosta da Terra, então uma diferença significativa é claramente visível em uma diminuição acentuada, A1, SI e um aumento significativo no Fe, MG e na aparência em quantidades notáveis \u200b\u200bs e ni.

A figura da terra é chamada geóide. Na estrutura profunda da Terra, eles são julgados por ondas sísmicas longitudinais e transversais, que, estendendo dentro da terra, são refletidas, refletidas e atenuação, o que indica o relaxamento da região. Alocar três áreas principais:

crosta terrestre;

mantle: superior a uma profundidade de 900 km, menor a profundidade de 2900 km;

o núcleo da Terra é externo a uma profundidade de 5120 km, interna para a profundidade de 6371 km.

O calor interior da terra está associado ao colapso de elementos radioativos - urânio, tório, potássio, rubídio, etc. A média, o valor do fluxo de calor é 1,4-1,5 μCal / cm 2. s.

1. Qual é a forma e o tamanho da terra?

2. Quais são os métodos de estudar a estrutura interna da Terra?

3. Qual é a estrutura interna da terra?

4. Quais seções sísmicas da primeira ordem são claramente distinguidas ao analisar a estrutura da Terra?

5. Quais bordas correspondem às seções de Mochovichi e Gutenberg?

6. Qual é a densidade média da Terra e como ela muda na fronteira do manto e do kernel?

7. Como o fluxo de calor muda em zonas diferentes? Como a mudança no gradiente geotérmica e no palco geotérmico significa?

8. De acordo com quais dados determina a composição média química da Terra?

Literatura

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