Записки проектировщика
Современные технологии проектирования и строительства зданий
Расчёт температуры грунта на заданной глубине
Часто при проектировании раздела “Энергоэффективность” для моделирования температурных полей, расчёта глубины промерзания и для других расчётов необходимо узнать температуру грунта на заданной глубине. Рассмотрим способы определения температуры грунта для малых и больших глубин.
Температуру грунта на глубине измеряют с помощью вытяжных почвенно- глубинных термометров. Это плановые исследования, которые регулярно проводят метеорологические станции. Данные исследований служат основой для климатических атласов и нормативной документации.
Для получения температуры грунта на заданной глубине можно попробовать, например, несколько простых способов. Оба способа заключаются в использовании справочной литературы:
- Для приближённого определения температуры можно использовать документ ЦПИ-22. “Переходы железных дорог трубопроводами”. Здесь в рамках методики теплотехнического расчёта трубопроводов приводится таблица 1, где для определённых климатических районов приводятся величины температур грунта в зависимости от глубины измерения. Эту таблицу я привожу здесь ниже.
- Таблица температур грунта на различных глубинах из источника “в помощь работнику газовой промышленности” еще времён СССР.
Можно, конечно, попробовать рассчитать температуру грунта, например, по методике, изложенной в книге С.Н.Шорин “Теплопередача” М.1952. На стр.115 через распределение амплидуд колебаний температуры в массе грунта. Но такой расчёт весьма сложный и не всегда оправдан.
Я думаю, что самый простой вариант, это воспользоваться вышеуказанными справочными данными, а затем интерполировать.
3.Зависимость температуры грунта от глубины
С увеличением глубины температура в грунте увеличивается согласно адиабатическому закону в зависимости от степени сжатия вещества под давлением при невозможности теплообмена с окружающей средой.
Нагрев Земли осуществляется, в основном, засчёт источников тепла:
- тепло, образующееся засчет химических реакций в земной коре.
- тепло радиоактивного распада элементов.
- остаточное тепло Земли.
- гравитационное тепло, выделяющееся при сжатии Земли и распределении вещества по плотности.
- тепло, выделяющееся при приливном трении Земли.
Различают 3 температурные зоны:
I – зона переменных температур. Изменение температуры определяется климатом местности. Суточные колебания практически затухают на глубине около 1,5 м, а годовые на глубинах 20…30 м.
Iа – зона промерзания.
II – зона постоянных температур, находящаяся на глубинах 15…40 м в зависимости от региона.
III – зона нарастания температур.
Температурный режим горных пород в недрах земной коры принято выражать геотермическим градиентом и геотермической ступенью.
Величина нарастания температуры на каждые 100 м глубины называется геотермическим градиентом. В Африке на месторождении Витватерсранд оно равно 1,5 °С, в Японии (Эчиго) – 2,9 °С, в Южной Австралии – 10,9 °С, в Казахстане (Самаринда) – 6,3 °С, на Кольском полуострове – 0,65 °С.
Зоны температур в земной коре: I – зона переменных температур, Iа – зона промерзания; II – зона постоянных температур; III – зона нарастания температур
Глубина, при которой температура повышается на 1 градус, называется геотермической ступенью.
Числовые значения геотермической ступени непостоянны не только на разных широтах, но и на разных глубинах одной и той же точки района. Величина геотермической ступени изменяется от 1,5 до 250 м.
В Архангельске она равна 10 м, в Москве – 38,4 м, а в Пятигорске – 1,5 м. Теоретически средняя величина этой ступени составляет 33 м.
В скважине, пробуренной в Москве на глубину 1630 м, температура в забое составила 41 °С, а в шахте, пройденной в Донбассе на глубину 1545 м, температура оказалась равной 56,3 °С. Наиболее высокая температура зафиксирована в США в скважине глубиной 7136 м, где она равна 224 °С. Нарастание температуры с глубиной следует учитывать при проектировании сооружений глубокого заложения Согласно расчетам, на глубине 400 км температура должна достигать 1400…1700 °С. Наиболее высокие температуры (около 5000 °С) получены для ядра Земли.
Поэтому самый надёжный вариант для точных расчётов с использованием температур грунта – воспользоваться данными метеорологических служб. На базе метеорологических служб работают некоторые онлайн справочники. Например, http://www.atlas-yakutia.ru/.
Здесь достаточно выбрать населённый пункт, тип грунта и можно получить температурную карту грунта или её данные в табличной форме. В принципе, удобно, но похоже этот ресурс платный.
Глубины промерзания грунта по разным населенным пунктам и регионам России можно посмотреть здесь.
Источник
График температуры почвы от глубины
Температура поверхности почвы – это температура ее верхнего слоя (толщиной несколько миллиметров), свободного от растительного покрова, хорошо взрыхленного и не затеняемого от солнца, а в зимнее время при наличии снежного покрова – температура поверхности снега. Измеряется термометром, лежащим открыто на поверхности почвы и снежного покрова, при этом резервуар термометра погружен в почву (снежный покров). Измерения температуры поверхности почвы представляют большие методические трудности из-за невозможности затенить термометр от действия радиации и вследствие различия радиационных свойств резервуара и почвы (снега).
Температура почвы на глубине узла кущения озимых культур измеряется в срок наблюдения, а также между сроками наблюдений измеряется минимальная и максимальная температура в слое почвы на глубине 2,5-3,5 см от поверхности земли (°С) специальными максиально-минимальными термометрами.
Температура почвы и грунта на глубинах (почвенных горизонтах) – это температура, определяемая показаниями термометров и других датчиков, установленных на определенных глубинах. На метеорологических станциях температура почвы на глубинах 5, 10, 15, 20 см на обрабатываемых участках без растительного покрова определяется в теплое время года термометрами ТМ-5 Савинова; на глубинах 20, 40, 80, 120, 160, 240 и 320 см – станционными вытяжными почвенно-глубинными термометрами под естественным покровом.
Температура почвы оказывает существенное влияние на формирование термического режима атмосферы. Данные о температуре почвы необходимы для решения многих прикладных задач: они используются в сельском хозяйстве, в строительстве, при эксплуатации дорог и подземных коммуникаций и. т. д.
Тепловой режим почвы определяется притоком тепла и зависит от минералогического состава почвы, пористости и влажности, которые определяют ее теплоемкость теплопроводность, а также зависит от микрорельефа, экспозиции склонов, растительности и т. д.
Основным источником тепла, поступающего в почву, является лучистая энергия солнца, которая усваивается поверхностным слоем. Это тепло передается в нижележащие слои, а также расходуется на нагревание воздуха и испарение воды.
Тот слой почвы, в котором обнаруживаются суточные и годовые колебания температуры в зависимости от притока солнечной радиации, носит название активного или деятельного слоя.
Закономерности распространения тепла в почве
Суточные и годовые колебания температуры поверхности почвы вследствие теплопроводности передаются в более глубокие ее слои. Распространение температурных колебаний вглубь почвы (при однородном составе почвы) происходит в соответствии со следующими законами Фурье:
- Период колебаний с глубиной не изменяется, т.е. как на поверхности почвы, так и на всех глубинах интервал между двумя последовательными минимумами и максимумами температуры составляет в суточном ходе 24 ч, а в годовом 12 месяцев.
- Если глубина растет в арифметической прогрессии, то амплитуда уменьшается в геометрической прогрессии, т.е. с увеличением глубины амплитуда быстро уменьшается.
Слой почвы, температура в котором в течение суток не изменяется, называют слоем суточной температуры. В средних широтах этот слой начинается с глубины 70-100 см. Слой постоянной годовой температуры в средних широтах залегает глубже 15-20 м.
- Максимальные и минимальные температуры на глубинах наступают позднее, чем на поверхности почвы. Это запаздывание прямо пропорционально глубине. Суточные максимумы и минимумы запаздывают на каждые 10 см глубины в среднем на 2,5-3,5 ч, а годовые на каждый метр глубины запаздывают на 20-30 суток.
Согласно теоретическим расчетам Фурье, глубина, до которой проявляется годовой ход температуры почвы, должна примерно в 19 раз превышать глубину проявления суточных колебаний. В действительности наблюдаются значительные отклонения от теоретических расчетов, и во многих случаях глубина проникновения годовых колебаний оказывается больше расчетной. Это обусловлено различием во влажности почвы по глубинам и во времени, изменением температуропроводности почвы с глубиной и другими причинами.
В северных широтах глубина проникновения годового хода температуры почвы составляет в среднем 25 м, в средних широтах – 15-20 м, в южных – около 10 м.
Термоизоплеты
Материалы многолетних наблюдений за температурой почвы на различных глубинах могут быть представлены графически.
Рис. 3 – Изоплеты температуры почвы для Санкт-Петербурга.
На таком графике связываются температура почвы, глубина и время. Для построения графика на вертикальной оси откладывают глубины, а на горизонтальной – время (обычно месяцы). На график наносят среднюю месячную температуру почвы на разных глубинах. Затем точки с одинаковой температурой соединяют плавными линиями, которые называют термоизоплеты.
Термоизоплеты дают наглядное представление о температуре активного слоя почвы на любой глубине в каждый месяц. Такие графики используют, например, для определения глубины проникновения критических температур, повреждающих корневую систему плодовых деревьев. Эти графики используют также в коммунальном хозяйстве, в промышленном и дорожном строительстве, при мелиорации.
Мощность мерзлого слоя обязательно учитывается при закладывании дрен (труба или подземный канал для отвода почвенных вод) в мелиорируемых районах.
В Ленинградской области агрометеорологические станции и посты, на которых проводятся наблюдения за температурой поверхности почвы, находятся в Сосново, Тихвине, Волосово, Белогорке, Николаевском, Любани, Колпино, Кипени и Осьмино.
Источник
Геотермальные теплонасосные системы теплоснабжения и эффективность их применения в климатических условиях России
Г. П. Васильев, научный руководитель ОАО «ИНСОЛАР-ИНВЕСТ»
В отличие от «прямого» использования высокопотенциального геотермального тепла (гидротермальных ресурсов) использование грунта поверхностных слоев Земли как источника низкопотенциальной тепловой энергии для геотермальных теплонасосных систем теплоснабжения (ГТСТ) возможно практически повсеместно. В настоящее время в мире это одно из наиболее динамично развивающихся направлений использования нетрадиционных возобновляемых источников энергии.
Грунт поверхностных слоев Земли фактически является тепловым аккумулятором неограниченной мощности. Тепловой режим грунта формируется под действием двух основных факторов – падающей на поверхность солнечной радиации и потока радиогенного тепла из земных недр. Сезонные и суточные изменения интенсивности солнечной радиации и температуры наружного воздуха вызывают колебания температуры верхних слоев грунта. Глубина проникновения суточных колебаний температуры наружного воздуха и интенсивности падающей солнечной радиации в зависимости от конкретных почвенно-климатических условий колеблется в пределах от нескольких десятков сантиметров до полутора метров. Глубина проникновения сезонных колебаний температуры наружного воздуха и интенсивности падающей солнечной радиации не превышает, как правило, 15–20 м.
Тепловой режим слоев грунта, расположенных ниже этой глубины («нейтральной зоны»), формируется под воздействием тепловой энергии, поступающей из недр Земли и практически не зависит от сезонных, а тем более суточных изменений параметров наружного климата (рис. 1). С увеличением глубины температура грунта также увеличивается в соответствии с геотермическим градиентом (примерно 3 °С на каждые 100 м). Величина потока радиогенного тепла, поступающего из земных недр, для разных местностей различается. Как правило, эта величина составляет 0,05–0,12 Вт/м 2 .
График изменения температуры грунта в зависимости от глубины
При эксплуатации ГТСТ грунтовый массив, находящийся в пределах зоны теплового влияния регистра труб грунтового теплообменника системы сбора низкопотенциального тепла грунта (системы теплосбора), вследствие сезонного изменения параметров наружного климата, а также под воздействием эксплуатационных нагрузок на систему теплосбора, как правило, подвергается многократному замораживанию и оттаиванию. При этом, естественно, происходит изменение агрегатного состояния влаги, заключенной в порах грунта и находящейся в общем случае как в жидкой, так и в твердой и газообразной фазах одновременно. При этом в капиллярно-пористых системах, каковой является грунтовый массив системы теплосбора, наличие влаги в поровом пространстве оказывает заметное влияние на процесс распространения тепла. Корректный учет этого влияния на сегодняшний день сопряжен со значительными трудностями, которые, прежде всего, связаны с отсутствием четких представлений о характере распределения твердой, жидкой и газообразной фаз влаги в той или иной структуре системы. При наличии в толще грунтового массива температурного градиента молекулы водяного пара перемещаются к местам, имеющим пониженный температурный потенциал, но в то же время под действием гравитационных сил возникает противоположно направленный поток влаги в жидкой фазе. Кроме этого, на температурный режим верхних слоев грунта оказывает влияние влага атмосферных осадков, а также грунтовые воды.
К характерным особенностям теплового режима систем сбора тепла грунта как объекта проектирования также следует отнести и так называемую «информативную неопределенность» математических моделей, описывающих подобные процессы, или, иначе говоря, отсутствие достоверной информации о воздействиях на систему окружающей среды (атмосферы и массива грунта, находящихся вне зоны теплового влияния грунтового теплообменника системы теплосбора) и чрезвычайную сложность их аппроксимации. Действительно, если аппроксимация воздействий на систему наружного климата, хотя и сложна, но все же при определенных затратах «машинного времени» и использовании существующих моделей (например, «типового климатического года») может быть реализована, то проблема учета в модели влияния на систему атмосферных воздействий (роса, туман, дождь, снег и т. д.), а также аппроксимация теплового влияния на грунтовый массив системы тепло-сбора подстилающих и окружающих его слоев грунта на сегодняшний день практически не разрешима и могла бы составить предмет отдельных исследований. Так, например, малая изученность процессов формирования фильтрационных потоков грунтовых вод, их скоростного режима, а также невозможность получения достоверной информации о тепловлажностном режиме слоев грунта, находящихся ниже зоны теплового влияния грунтового теплообменника, значительно осложняет задачу построения корректной математической модели теплового режима системы сбора низкопотенциального тепла грунта.
Для преодоления описанных сложностей, возникающих при проектировании ГТСТ, могут быть рекомендованы созданные и апробированные на практике метод математического моделирования теплового режима систем сбора тепла грунта и методика учета при проектировании ГТСТ фазовых переходов влаги в поровом пространстве грунтового массива систем теплосбора.
Суть метода состоит в рассмотрении при построении математической модели разности двух задач: «базовой» задачи, описывающей тепловой режим грунта в естественном состоянии (без влияния грунтового теплообменника системы теплосбора), и решаемой задачи, описывающей тепловой режим грунтового массива со стоками (источниками) тепла. В итоге, метод позволяет получить решение относительно некоторой новой функции, представляющей собой функцию влияния стоков тепла на естественный тепловой режим грунта и равной разности температуры массива грунта в естественном состоянии и массива грунта со стоками (источниками тепла) – с грунтовым теплообенником системы тепло-сбора. Использование этого метода при построении математических моделей теплового режима систем сбора низкопотенциального тепла грунта позволило не только обойти трудности, связанные с аппроксимацией внешних воздействий на систему теплосбора, но и использовать в моделях экспериментально полученную метеостанциями информацию о естественном тепловом режиме грунта. Это позволяет частично учесть весь комплекс факторов (таких как наличие грунтовых вод, их скоростной и тепловой режимы, структура и расположение слоев грунта, «тепловой» фон Земли, атмосферные осадки, фазовые превращения влаги в поровом пространстве и многое другое), существеннейшим образом влияющих на формирование теплового режима системы теплосбора и совместный учет которых в строгой постановке задачи практически не возможен.
Методика учета при проектировании ГТСТ фазовых переходов влаги в поровом пространстве грунтового массива базируется на новом понятии «эквивалентной» теплопроводности грунта, которая определяется путем замены задачи о тепловом режиме замерзшего вокруг труб грунтового теплообменника цилиндра грунта «эквивалентной» квазистационарной задачей с близким температурным полем и одинаковыми граничными условиями, но с другой «эквивалентной» теплопроводностью.
Важнейшей задачей, решаемой при проектировании геотермальных систем теплоснабжения зданий, является детальная оценка энергетических возможностей климата района строительства и на этой основе составление заключения об эффективности и целесообразности применения того или иного схемного решения ГТСТ. Расчетные значения климатических параметров, приводимые в действующих нормативных документах не дают полной характеристики наружного климата, его изменчивости по месяцам, а также в отдельные периоды года – отопительный сезон, период перегрева и др. Поэтому при решении вопроса о температурном потенциале геотермального тепла, оценки возможности его сочетания с другими естественными источниками тепла низкого потенциала, оценки их (источников) температурного уровня в годовом цикле необходимо привлечение более полных климатических данных, приводимых, а например, в Справочнике по климату СССР (Л. : Гидрометиоиздат. Вып. 1–34).
Среди такой климатической информации в нашем случае следует выделить, прежде всего:
– данные о среднемесячной температуре почвы на разных глубинах;
– данные о поступлении солнечного излучения на различно ориентированные поверхности.
В табл. 1–5 приведены данные о среднемесячных температурах грунта на различных глубинах для некоторых городов России. В табл. 1 приведены среднемесячные температуры грунта по 23 городам РФ на глубине 1,6 м, которая представляется наиболее рациональной, с точки зрения температурного потенциала грунта и возможностей механизации производства работ по заложению горизонтальных грунтовых теплообменников.
 |
| Таблица 1 Средние температуры грунта по месяцам на глубине 1,6 м для некоторых городов России | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
|
| Таблица 2 Температура грунта в г. Ставрополе (почва – чернозем) | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
|
| Таблица 3 Температуры грунта в г. Якутске (почва илисто-песчаная с примесью перегноя, ниже – песок) | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
|
| Таблица 4 Температуры грунта в г. Пскове (дно, почва суглинистая, подпочва – глина) | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
|
| Таблица 5 Температура грунта в г. Владивостоке (почва бурая каменистая, насыпная) | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
|
Представленная в таблицах информация о естественном ходе температур грунта на глубине до 3,2 м (т. е. в «рабочем» слое грунта для ГТСТ с горизонтальным расположением грунтового теплообменника) наглядно иллюстрирует возможности использования грунта как источника тепла низкого потенциала. Очевидным является сравнительно небольшой интервал изменения на территории России температуры слоев, расположенных на одинаковой глубине. Так, например, минимальная температура грунта на глубине 3,2 м от поверхности в г. Ставрополе составляет 7,4 °С, а в г. Якутске – (–4,4 °С); соответственно, интервал изменения температуры грунта на данной глубине составляет 11,8 градуса. Этот факт позволяет рассчитывать на создание в достаточной степени унифицированного теплонасосного оборудования, пригодного к эксплуатации практически на всей территории России.
Как видно из представленных таблиц, характерной особенностью естественного температурного режима грунта является запаздывание минимальных температур грунта относительно времени поступления минимальных температур наружного воздуха. Минимальные температуры наружного воздуха повсеместно наблюдаются в январе, минимальные температуры в грунте на глубине 1,6 м в г. Ставрополе наблюдаются в марте, в г. Якутске – в марте, в г. Сочи – в марте, в г. Владивостоке – в апреле. Таким образом, очевидно, что к моменту наступления минимальных температур в грунте нагрузка на теплонасосную систему теплоснабжения (теплопотери здания) снижается. Этот момент открывает достаточно серьезные возможности для снижения установочной мощности ГТСТ (экономии капитальных затрат) и обязательно должен учитываться при проектировании.
Для оценки эффективности применения геотермальных теплонасос-ных систем теплоснабжения в климатических условиях России было выполнено районирование территории РФ по эффективности использования геотермального тепла низкого потенциала для целей теплоснабжения. Районирование выполнялось на основе результатов численных экспериментов по моделированию эксплуатационных режимов ГТСТ в климатических условиях различных регионов территории РФ. Численные эксперименты проводилось на примере гипотетического двухэтажного коттеджа с отапливаемой площадью 200 м 2 , оборудованного геотермальной теплонасосной системой тепло-снабжения. Наружные ограждающие конструкции рассматриваемого дома имеют следующие приведенные сопротивления теплопередаче:
– наружные стены – 3,2 м 2 • ч • °С/Вт;
– окна и двери – 0,6 м 2 • ч • °С/Вт;
– покрытия и перекрытия – 4,2 м 2 • ч • °С/Вт.
При проведении численных экспериментов рассматривались:
– система сбора тепла грунта с низкой плотностью потребления геотермальной энергии;
– горизонтальная система теплосбора из полиэтиленовых труб диаметром 0,05 м и длиной 400 м;
– система сбора тепла грунта с высокой плотностью потребления геотермальной энергии;
– вертикальная система тепло-сбора из одной термоскважины диаметром 0,16 м и длиной 40 м.
Проведенные исследования показали, что потребление тепловой энергии из грунтового массива к концу отопительного сезона вызывает вблизи регистра труб системы теплосбора понижение температуры грунта, которое в почвенно-климатических условиях большей части территории РФ не успевает компенсироваться в летний период года, и к началу следующего отопительного сезона грунт выходит с пониженным температурным потенциалом. Потребление тепловой энергии в течение следующего отопительного сезона вызывает дальнейшее снижение температуры грунта, и к началу третьего отопительного сезона его температурный потенциал еще больше отличается от естественного. И так далее. Однако, огибающие теплового влияния многолетней эксплуатации системы теплосбора на естественный температурный режим грунта имеют ярко выраженный экспоненциальный характер, и к пятому году эксплуатации грунт выходит на новый режим, близкий к периодическому, т. е., начиная с пятого года эксплуатации, многолетнее потребление тепловой энергии из грунтового массива системы теплосбора сопровождается периодическими изменениями его температуры. Таким образом, при проведении районирования территории РФ необходимо было учитывать падение температур грунтового массива, вызванное многолетней экс-плуатацией системы теплосбора, и использовать в качестве расчетных параметров температур грунтового массива температуры грунта, ожидаемые на 5-й год эксплуатации ГТСТ. Учитывая это обстоятельство, при проведении районирования территории РФ по эффективности применения ГТСТ в качестве критерия эффективности геотермальной теплонасосной системы теплоснабжения был выбран средний за 5-й год эксплуатации коэффициент трансформации теплоты К р тр, представляющий собой отношение вырабатываемой ГТСТ полезной тепловой энергии к энергии, затрачиваемой на ее привод, и определяемый для идеального термодинамического цикла Карно следующим образом:
где То – температурный потенциал тепла, отводимого в систему отопления или теплоснабжения, К;
Ти – температурный потенциал источника тепла, К.
Коэффициент трансформации теплонасосной системы теплоснабжения Ктр представляет собой отношение полезного тепла, отводимого в систему теплоснабжения потребителя, к энергии, затрачиваемой на работу ГТСТ, и численно равен количеству полезного тепла, получаемого при температурах То и Ти на единицу энергии, затраченной на привод ГТСТ. Реальный коэффициент трансформации отличается от идеального, описанного формулой (1), на величину коэффициента h, учитывающего степень термодинамического совершенства ГТСТ и необратимые потери энергии при реализации цикла.
Численные эксперименты проводились с помощью созданной в ОАО «ИНСОЛАР-ИНВЕСТ» программы, обеспечивающей определение оптимальных параметров системы теплосбора в зависимости от климатических условий района строительства, теплозащитных качеств здания, эксплуатационных характеристик теплонасосного оборудования, циркуляционных насосов, нагревательных приборов системы отопления, а также режимов их эксплуатации. Программа базируется на описанном ранее методе построения математических моделей теплового режима систем сбора низкопотенциального тепла грунта, который позволил обойти трудности, связанные с информативной неопределенностью моделей и аппроксимацией внешних воздействий, за счет использования в программе экспериментально полученной информации о естественном тепловом режиме грунта, которая позволяет частично учесть весь комплекс факторов (таких как наличие грунтовых вод, их скоростной и тепловой режимы, структура и расположение слоев грунта, «тепловой» фон Земли, атмосферные осадки, фазовые превращения влаги в поровом пространстве и многое другое), существеннейшим образом влияющих на формирование теплового режима системы теплосбора, и совместный учет которых в строгой постановке задачи на сегодняшний день практически не возможен. В качестве решения «базовой» задачи использовались данные Справочника по климату СССР (Л. : Гидрометиоиздат. Вып. 1–34).
Программа фактически позволяет решить задачу многопараметральной оптимизации конфигурации ГТСТ для конкретного здания и района строительства. При этом целевой функцией оптимизационной задачи является минимум годовых энергетических затрат на экс-плуатацию ГТСТ, а критериями оптимизации являются радиус труб грунтового теплообменника, его (теплообменника) длина и глубина заложения.
Результаты численных экспериментов и районирование территории России по эффективности использования геотермального тепла низкого потенциала для целей теплоснабжения зданий представлены в графическом виде на рис. 2–9.
На рис. 2 представлены значения и изолинии коэффициента трансформации геотермальных теплонасосных систем теплоснабжения с горизонтальными системами теплосбора, а на рис. 3 – для ГТСТ с вертикальными системами теплосбора. Как видно из рисунков, максимальные значения К р тр 4,24 для горизонтальных систем теплосбора и 4,14 – для вертикальных можно ожидать на юге территории России, а минимальные значения, соответственно, 2,87 и 2,73 на севере, в Уэлене. Для средней полосы России значения К р тр для горизонтальных систем теплосбора находятся в пределах 3,4–3,6, а для вертикальных систем в пределах 3,2–3,4. Обращают на себя достаточно высокие значения К р тр (3,2–3,5) для районов Дальнего Востока, районов с традиционно сложными условиями топливоснабжения. По-видимому, Дальний Восток является регионом приоритетного внедрения ГТСТ.
Районирование территории России по эффективности использования низкопотенциальной тепловой энергии поверхностных слоев Земли для теплохладоснабжения (изолинии на карте – значения коэффициента трансформации энергии для горизонтальных ГТСТ, численно равные количеству полезной тепловой энергии, вырабатываемой ГТСТ на 1 кВт энергии, затрачиваемой на ее привод, доли единицы)
Районирование территории России по эффективности использования низкопотенциальной тепловой энергии поверхностных слоев Земли для
теплохладоснабжения (изолинии на карте – значения коэффициента трансформации энергии для вертикальных ГТСТ, численно равные количеству полезной тепловой энергии, вырабатываемой ГТСТ+ПД на 1 кВт энергии, затрачиваемой на ее привод, доли единицы)
На рис. 4 представлены значения и изолинии удельных годовых за-трат энергии на привод «горизонтальных» ГТСТ+ПД (пиковый доводчик), включающих энергозатраты на отопление, вентиляцию и горячее водоснабжение, приведенные к 1 м 2 отапливаемой площади, а на рис. 5 – для ГТСТ с вертикальными системами теплосбора. Как видно из рисунков, годовые удельные энергозатраты на привод горизонтальных ГТСТ, приведенные к 1 м 2 отапливаемой площади здания изменяются от 28,8 кВт • ч/(год • м 2 ) на юге России до 241 кВт • ч/(год • м 2 ) в г. Якутске, а для вертикальных ГТСТ соответственно, от 28,7 кВт • ч/ / (год • м 2 ) на юге и до 248 кВт • ч/ / (год • м 2 ) в г. Якутске. Если мы умножим представленное на рисунках для конкретной местности значение годовых удельных энергозатрат на привод ГТСТ на значение для этой местности К р тр, уменьшенное на 1, то получим количество энергии, сэкономленное ГТСТ с 1 м 2 отапливаемой площади за год. Например, для Москвы для вертикальной ГТСТ это значение составит 189,2 кВт • ч с 1 м 2 в год. Для сравнения можно привести значения удельных энергозатрат, установленные московскими нормами по энергосбережению МГСН 2.01–99 для малоэтажных зданий на уровне 130, а для многоэтажных зданий 95 кВт • ч/(год • м 2 ). При этом в нормируемые МГСН 2.01–99 энергозатраты входят только затраты энергии на отопление и вентиляцию, в нашем же случае в энергозатраты включены и затраты энергии на горячее водоснабжение. Дело в том, что существующий в действующих нормах подход к оценке энергозатрат на эксплуатацию здания выделяет в отдельные статьи затраты энергии на отопление и вентиляцию здания и затраты энергии на его горячее водоснабжение. При этом энергозатраты на горячее водоснабжение не нормируются. Такой подход не кажется правильным, поскольку затраты энергии на горячее водо-снабжение зачастую соизмеримы с затратами энергии на отопление и вентиляцию.
Районирование территории России по эффективности использования низкопотенциальной тепловой энергии поверхностных слоев Земли для теплохладоснабжения (изолинии на карте – удельные годовые затраты энергии на привод горизонтальных ГТСТ+ПД, включающие отопление, вентиляцию и горячее водоснабжение, приведенные к 1 м 2 отапливаемой площади, кВт • ч/(год • м 2 ))
Районирование территории России по эффективности использования низкопотенциальной тепловой энергии поверхностных слоев Земли для теплохладоснабжения (изолинии на карте – удельные годовые затраты энергии на привод вертикальных ГТСТ+ПД, включающие отопление, вентиляцию и горячее водоснабжение, приведенные к 1 м 2 отапливаемой площади, кВт • ч/(год • м 2 ))
На рис. 6 представлены значения и изолинии рационального соотношения тепловой мощности пикового доводчика (ПД) и установленной электрической мощности горизонтальных ГТСТ в долях единицы, а на рис. 7 – для ГТСТ с вертикальными системами тепло-сбора. Критерием рационального соотношения тепловой мощности пикового доводчика и установленной электрической мощности ГТСТ (исключая ПД) являлся минимум годовых затрат электроэнергии на привод ГТСТ+ПД. Как видно из рисунков, рациональное соотношение мощностей тепловой ПД и электрической ГТСТ (без ПД) изменяется от 0 на юге России, до 2,88 – для горизонтальных ГТСТ и 2,92 для вертикальных систем в г. Якутске. В центральной полосе территории РФ рациональное соотношение тепловой мощности доводчика и установленной электрической мощности ГТСТ+ПД находится как для горизонтальных, так и вертикальных ГТСТ в пределах 1,1–1,3. На этом моменте нужно остановиться более подробно. Дело в том, что при замещении, например, электроотопления в Центральной полосе России мы фактически имеем возможность на 35–40 % сократить мощность установленного в отапливаемом здании электрооборудования и, соответственно, сократить электрическую мощность, запрашиваемую у РАО «ЕЭС», которая сегодня «стоит» около 50 тыс. руб. за 1 кВт установленной в доме электрической мощности. Так, например, для коттеджа с расчетными теплопотерями в наиболее холодную пятидневку равными 15 кВт, мы сэкономим 6 кВт установленной электрической мощности и, соответственно, около 300 тыс. руб. или ≈ 11,5 тыс. долл. США. Эта цифра практически равна стоимости ГТСТ такой тепловой мощности.
Таким образом, если корректно учитывать все издержки, связанные с подключением здания к централизованному электроснабжению, оказывается, при существующих сегодня тарифах на электроэнергию и подключение к сетям централизованного электроснабжения в Центральной полосе территории РФ даже по единовременным затратам ГТСТ оказывается выгоднее электроотопления, не говоря уже о 60 %-ной экономии энергии.
Районирование территории России по эффективности использования низкопотенциальной тепловой энергии поверхностных слоев Земли для теплохладоснабжения (изолинии на карте – рациональное соотношение тепловой мощности пикового доводчика и установленной электрической мощности горизонтальных ГТСТ, доли единицы)
Районирование территории России по эффективности использования низкопотенциальной тепловой энергии поверхностных слоев Земли для теплохладоснабжения (изолинии на карте – рациональное соотношение тепловой мощности пикового доводчика и установленной электрической мощности вертикальных ГТСТ, доли единицы)
На рис. 8 представлены значения и изолинии удельный вес тепловой энергии, вырабатываемой в течение года пиковым доводчиком (ПД) в суммарных годовых энергозатратах системы горизонтальная ГТСТ+ПД в процентах, а на рис. 9 – для ГТСТ с вертикальными системами тепло-сбора. Как видно из рисунков, удельный вес тепловой энергии, вырабатываемой в течение года пиковым доводчиком (ПД), в суммарных годовых энергозатратах системы горизонтальная ГТСТ+ПД изменяется от 0 % на юге России до 38–40 % в г. Якутске и г. Туре, а для вертикальных ГТСТ+ПД – соответственно, от 0 % на юге и до 48,5 % в г. Якутске. В Центральной полосе России эти значения составляют и для вертикальных, и для горизонтальных ГТСТ около 5–7 %. Это небольшие энергозатраты, и в связи с этим нужно внимательно относиться к выбору пикового доводчика. Наиболее рациональным с точки зрения как удельных капвложений в 1 кВт мощности, так и автоматизации являются пиковые электродоводчики. Заслуживает внимание использование котлов, работающих на пеллетах.
Районирование территории России по эффективности использования низкопотенциальной тепловой энергии поверхностных слоев Земли для теплохладоснабжения (изолинии на карте – удельный вес тепловой энергии, вырабатываемой в течение года пиковым доводчиком (ПД), в суммарных годовых энергозатратах системы горизонтальная ГТСТ+ПД, проценты)
Районирование территории России по эффективности использования низкопотенциальной тепловой энергии поверхностных слоев Земли для теплохладоснабжения (изолинии на карте – удельный вес тепловой энергии, вырабатываемой в течение года пиковым доводчиком (ПД), в суммарных годовых энергозатратах системы вертикальная ГТСТ+ПД, проценты)
В завершении хотелось бы остановиться на очень важном вопросе: проблеме выбора рационального уровня теплозащиты зданий. Эта проблема представляет сегодня очень серьезную задачу, для решения которой необходим серьезный численный анализ, учитывающий и специфику нашего климата, и особенности применяемого инженерного оборудования, инфраструктуры централизованных сетей, а также экологическую ситуацию в городах, ухудшающуюся буквально на глазах, и многое другое. Очевидно, что сегодня уже некорректно формулировать какие-либо требования к оболочке здания без учета его (здания) взаимосвязей с климатом и системой энерго-снабжения, инженерными коммуникациями и пр. В итоге, в самом ближайшем будущем решение проблемы выбора рационального уровня теплозащиты будет возможно только на основе рассмотрения комплекса здание + система энергоснабжения + климат + окружающая среда как единой экоэнергетической системы, а при таком подходе конкурентные преимущества ГТСТ на отечественном рынке трудно переоценить.
Литература
1. Sanner B. Ground Heat Sources for Heat Pumps (classification, characteristics, advantages). Course on geothermal heat pumps, 2002.
2. Васильев Г. П. Экономически целесообразный уровень теплозащиты зданий // Энергосбережение. – 2002. – № 5.
3. Васильев Г. П. Теплохладоснабжение зданий и сооружений с использованием низкопотенциальной тепловой энергии поверхностных слоев Земли: Монография. Издательский дом «Граница». – М. : Красная звезда, 2006.
Поделиться статьей в социальных сетях:
Источник