Kirill Degtyarev, ricercatore, Mosca Università Statale loro. MV Lomonosov.

Nel nostro Paese, ricco di idrocarburi, l'energia geotermica è una sorta di risorsa esotica che, allo stato attuale, difficilmente potrà competere con petrolio e gas. Tuttavia, questa forma alternativa di energia può essere utilizzata quasi ovunque e in modo abbastanza efficiente.

Foto di Igor Konstantinov.

Variazione della temperatura del suolo con la profondità.

Innalzamento della temperatura delle acque termali e delle rocce secche che le contengono con profondità.

Variazione di temperatura con profondità in diverse regioni.

L'eruzione del vulcano islandese Eyjafjallajökull è un'illustrazione dei violenti processi vulcanici che si verificano in zone tettoniche e vulcaniche attive con un potente flusso di calore dall'interno della terra.

Capacità installate di centrali geotermiche per paesi del mondo, MW.

Distribuzione delle risorse geotermiche sul territorio della Russia. Le riserve di energia geotermica, secondo gli esperti, sono diverse volte superiori alle riserve energetiche dei combustibili fossili organici. Secondo la Geothermal Energy Society Association.

energia geotermicaè il calore dell'interno della terra. È prodotto nelle profondità e arriva sulla superficie della Terra in forme diverse e con intensità diverse.

La temperatura degli strati superiori del suolo dipende principalmente da fattori esterni (esogeni): luce solare e temperatura dell'aria. In estate e durante il giorno il terreno si riscalda fino a determinate profondità, in inverno e di notte si raffredda al variare della temperatura dell'aria e con un certo ritardo, aumentando con la profondità. L'influenza delle fluttuazioni giornaliere della temperatura dell'aria termina a profondità da poche a diverse decine di centimetri. Le fluttuazioni stagionali catturano strati più profondi del suolo, fino a decine di metri.

Ad una certa profondità - da decine a centinaia di metri - la temperatura del suolo viene mantenuta costante, pari alla temperatura media annuale dell'aria in prossimità della superficie terrestre. Questo è facile da verificare scendendo in una grotta abbastanza profonda.

quando temperatura media annuale l'aria nella zona è sotto lo zero, questo si manifesta come permafrost (più precisamente, permafrost). Nella Siberia orientale, lo spessore, cioè lo spessore, dei terreni ghiacciati tutto l'anno raggiunge in alcuni punti i 200-300 m.

Da una certa profondità (propria per ogni punto della mappa), l'effetto del Sole e dell'atmosfera si indebolisce a tal punto che i fattori endogeni (interni) vengono prima e l'interno della terra viene riscaldato dall'interno, così che la temperatura inizia a salire salire con la profondità.

Il riscaldamento degli strati profondi della Terra è associato principalmente al decadimento degli elementi radioattivi che vi si trovano, sebbene vengano anche chiamate altre fonti di calore, ad esempio processi fisico-chimici, tettonici negli strati profondi la crosta terrestre e vesti. Ma qualunque sia la causa, la temperatura delle rocce e delle sostanze liquide e gassose associate aumenta con la profondità. I minatori affrontano questo fenomeno: nelle miniere profonde fa sempre caldo. A una profondità di 1 km, il calore di trenta gradi è normale e più in profondità la temperatura è ancora più alta.

Il flusso di calore dell'interno della terra, che raggiunge la superficie terrestre, è piccolo - in media, la sua potenza è 0,03-0,05 W / m 2,
o circa 350 Wh/m 2 all'anno. Sullo sfondo del flusso di calore del Sole e dell'aria riscaldata da esso, questo è un valore impercettibile: il Sole dà ogni metro quadrato superficie terrestre circa 4.000 kWh all'anno, cioè 10.000 volte di più (ovviamente si tratta di una media, con un'enorme differenza tra latitudini polari ed equatoriali e dipendente da altri fattori climatici e meteorologici).

L'insignificanza del flusso di calore dalle profondità alla superficie nella maggior parte del pianeta è associata alla bassa conducibilità termica delle rocce e alle peculiarità della struttura geologica. Ma ci sono delle eccezioni: luoghi in cui il flusso di calore è elevato. Si tratta, in primo luogo, di zone di faglie tettoniche, aumento dell'attività sismica e vulcanismo, dove l'energia dell'interno della terra trova una via d'uscita. Tali zone sono caratterizzate da anomalie termiche della litosfera, qui il flusso di calore che raggiunge la superficie terrestre può essere molte volte e anche ordini di grandezza più potente di quello "normale". Un'enorme quantità di calore viene portata in superficie in queste zone dalle eruzioni vulcaniche e dalle sorgenti termali d'acqua.

Sono queste le aree più favorevoli allo sviluppo dell'energia geotermica. Sul territorio della Russia, questi sono, prima di tutto, la Kamchatka, le Isole Curili e il Caucaso.

Allo stesso tempo, lo sviluppo dell'energia geotermica è possibile quasi ovunque, poiché l'aumento della temperatura con la profondità è un fenomeno onnipresente e il compito è quello di "estrarre" calore dalle viscere, proprio come da lì vengono estratte le materie prime minerali.

In media, la temperatura aumenta con la profondità di 2,5-3 o C ogni 100 m Il rapporto tra la differenza di temperatura tra due punti che si trovano a profondità diverse e la differenza di profondità tra di loro è chiamato gradiente geotermico.

Il reciproco è il passo geotermico, o l'intervallo di profondità in cui la temperatura aumenta di 1°C.

Più alto è il gradiente e, di conseguenza, più basso è il gradino, più il calore delle profondità della Terra si avvicina alla superficie e più quest'area è promettente per lo sviluppo dell'energia geotermica.

A diverse aree, a seconda della struttura geologica e di altre condizioni regionali e locali, il tasso di aumento della temperatura con la profondità può variare notevolmente. Sulla scala della Terra, le fluttuazioni dei valori dei gradienti e dei gradini geotermici raggiungono 25 volte. Ad esempio, nello stato dell'Oregon (USA) la pendenza è di 150 °C per 1 km e in Sud Africa - 6 °C per 1 km.

La domanda è: qual è la temperatura a grandi profondità - 5, 10 km o più? Se la tendenza continua, la temperatura a una profondità di 10 km dovrebbe essere in media di circa 250-300 °C. Ciò è più o meno confermato dalle osservazioni dirette in pozzi ultra-profondi, sebbene il quadro sia molto più complicato di un aumento lineare della temperatura .

Ad esempio, nel pozzo superprofondo di Kola perforato nello scudo cristallino del Baltico, la temperatura cambia a una velocità di 10 o C / 1 km fino a una profondità di 3 km, quindi il gradiente geotermico diventa 2-2,5 volte maggiore. A una profondità di 7 km è stata già registrata una temperatura di 120 o C, a 10 km - 180 o C e a 12 km - 220 o C.

Un altro esempio è un pozzo posato nel Caspio settentrionale, dove a una profondità di 500 m è stata registrata una temperatura di 42 o C, a 1,5 km - 70 o C, a 2 km - 80 o C, a 3 km - 108 o C.

Si ipotizza che il gradiente geotermico decresca a partire da una profondità di 20-30 km: a una profondità di 100 km, le temperature stimate sono di circa 1300-1500 o C, a una profondità di 400 km - 1600 o C, nella core (profondità superiore a 6000 km) - 4000-5000 o DA.

A profondità fino a 10-12 km, la temperatura viene misurata attraverso pozzi perforati; dove non esistono, è determinato dai segni indiretti allo stesso modo che a profondità maggiori. Tali segni indiretti possono essere la natura del passaggio delle onde sismiche o la temperatura della lava in eruzione.

Tuttavia, ai fini della geotermia, i dati sulle temperature a profondità superiori a 10 km non sono ancora di interesse pratico.

C'è molto calore a profondità di diversi chilometri, ma come aumentarlo? A volte la natura stessa risolve questo problema per noi con l'aiuto di un refrigerante naturale: acque termali riscaldate che affiorano in superficie o giacciono a una profondità a noi accessibile. In alcuni casi, l'acqua nelle profondità viene riscaldata allo stato di vapore.

Non esiste una definizione rigida del concetto di "acque termali". Di norma, significano caldo Le acque sotterranee allo stato liquido o sotto forma di vapore, compresi quelli che arrivano sulla superficie terrestre con una temperatura superiore a 20 ° C, cioè, di regola, superiore alla temperatura dell'aria.

Il calore delle acque sotterranee, del vapore, delle miscele vapore-acqua è energia idrotermale. Di conseguenza, l'energia basata sul suo utilizzo è chiamata idrotermale.

La situazione è più complicata con la produzione di calore direttamente dalle rocce secche: l'energia petrotermica, soprattutto perché le temperature sufficientemente elevate, di regola, iniziano da profondità di diversi chilometri.

Sul territorio della Russia, il potenziale dell'energia petrotermica è cento volte superiore a quello dell'energia idrotermale: rispettivamente 3.500 e 35 trilioni di tonnellate di carburante standard. Questo è abbastanza naturale: il calore delle profondità della Terra è ovunque e le acque termali si trovano localmente. Tuttavia, per evidenti difficoltà tecniche, la maggior parte delle acque termali è attualmente utilizzata per la produzione di calore ed elettricità.

Le acque con temperature da 20-30 a 100 o C sono adatte per il riscaldamento, temperature da 150 o C e oltre - e per la generazione di elettricità nelle centrali geotermiche.

In generale, le risorse geotermiche sul territorio della Russia, in termini di tonnellate di combustibile di riferimento o qualsiasi altra unità di misura energetica, sono circa 10 volte superiori alle riserve di combustibili fossili.

Teoricamente, solo l'energia geotermica potrebbe soddisfare pienamente il fabbisogno energetico del Paese. Praticamente acceso questo momento nella maggior parte del suo territorio, ciò non è fattibile per ragioni tecniche ed economiche.

Nel mondo, l'uso dell'energia geotermica è più spesso associato all'Islanda, un paese situato all'estremità settentrionale della dorsale medio-atlantica, in una zona tettonica e vulcanica estremamente attiva. Probabilmente tutti ricordano la potente eruzione del vulcano Eyjafjallajökull nel 2010.

È grazie a questa specificità geologica che l'Islanda possiede enormi riserve di energia geotermica, comprese le sorgenti termali che affiorano sulla superficie della Terra e sgorgano persino sotto forma di geyser.

In Islanda, oltre il 60% di tutta l'energia consumata viene attualmente prelevata dalla Terra. Anche grazie alla geotermia, vengono forniti il ​​90% del riscaldamento e il 30% della produzione di energia elettrica. Aggiungiamo che il resto dell'elettricità nel Paese è prodotta da centrali idroelettriche, cioè anche utilizzando una fonte di energia rinnovabile, grazie alla quale l'Islanda si presenta come una sorta di standard ambientale globale.

L '"addomesticamento" dell'energia geotermica nel 20° secolo ha aiutato l'Islanda in modo significativo dal punto di vista economico. Fino alla metà del secolo scorso era un Paese molto povero, oggi è al primo posto al mondo per capacità installata e produzione di energia geotermica pro capite, ed è tra i primi dieci per capacità installata assoluta di geotermia impianti. Tuttavia, la sua popolazione è di sole 300mila persone, il che semplifica il compito di passare a fonti energetiche rispettose dell'ambiente: il fabbisogno è generalmente ridotto.

Oltre all'Islanda, un'elevata quota di energia geotermica nel bilancio totale della produzione di energia elettrica è fornita in Nuova Zelanda e negli Stati insulari del Sud-Est asiatico (Filippine e Indonesia), nei Paesi dell'America Centrale e dell'Africa Orientale, il cui territorio è caratterizzato anche da un'elevata attività sismica e vulcanica. Per questi paesi, al loro attuale livello di sviluppo e fabbisogno, l'energia geotermica fornisce un contributo significativo allo sviluppo socio-economico.

(Segue la fine.)

Cambiamento di temperatura con la profondità. La superficie terrestre, a causa della fornitura irregolare di calore solare, si riscalda o si raffredda. Queste fluttuazioni di temperatura penetrano molto poco nello spessore della Terra. Quindi, fluttuazioni giornaliere a una profondità di 1 m di solito non si sente più. Per quanto riguarda le fluttuazioni annuali, penetrano a diverse profondità: paesi caldi a 10-15 m, e nei paesi con Inverno freddo e calda estate fino a 25-30 e anche 40 m. Più profondo di 30-40 m già ovunque sulla Terra la temperatura è mantenuta costante. Ad esempio, un termometro collocato nel seminterrato dell'Osservatorio di Parigi mostra da oltre 100 anni sempre 11°,85°C.

Su tutto si osserva uno strato con una temperatura costante il globo ed è chiamata zona di temperatura costante o neutra. La profondità di questa cintura, a seconda condizioni climatiche diverso, e la temperatura è approssimativamente uguale alla temperatura media annuale del luogo.

Quando si approfondisce la Terra al di sotto di uno strato di temperatura costante, di solito si nota un graduale aumento della temperatura. Questo è stato notato per la prima volta dai lavoratori nelle miniere profonde. Ciò è stato osservato anche durante la posa di gallerie. Così, ad esempio, durante la posa della galleria del Sempione (nelle Alpi), la temperatura è salita fino a 60°, il che ha creato notevoli difficoltà di lavoro. Temperature ancora più elevate si osservano in pozzi profondi. Un esempio è il pozzo Chukhovskaya (Alta Slesia), in cui si trova a una profondità di 2220 m la temperatura era superiore a 80° (83°, 1), ecc. m la temperatura aumenta di 1°C.

Viene chiamato il numero di metri di cui hai bisogno per andare in profondità nella Terra affinché la temperatura aumenti di 1 ° C passo geotermico. Il gradino geotermico in diversi casi non è lo stesso e il più delle volte varia da 30 a 35 m. In alcuni casi, queste fluttuazioni possono essere anche maggiori. Ad esempio, nello stato del Michigan (USA), in uno dei pozzi situati vicino al lago. Michigan, lo stadio geotermico si è rivelato non 33, ma 70 m Al contrario, un piccolissimo gradino geotermico è stato osservato in uno dei pozzi in Messico, lì a una profondità di 670 m c'era acqua con una temperatura di 70°. Pertanto, lo stadio geotermico si è rivelato essere solo di circa 12 m. Piccoli gradini geotermici si osservano anche nelle regioni vulcaniche, dove a basse profondità possono essere ancora presenti strati di rocce ignee non raffreddati. Ma tutti questi casi non sono tanto regole quanto eccezioni.

Ci sono molte ragioni che influenzano la fase geotermica. (Oltre a quanto sopra, si possono evidenziare la diversa conducibilità termica delle rocce, la natura della presenza di strati, ecc.

Il terreno è di grande importanza nella distribuzione delle temperature. Quest'ultimo è chiaramente visibile nel disegno allegato (Fig. 23), raffigurante un tratto delle Alpi lungo la linea del Traforo del Sempione, con geoisoterme tracciate da una linea tratteggiata (cioè linee di uguali temperature all'interno della Terra). Le geoisoterme qui sembrano ripetere il rilievo, ma con la profondità l'influenza del rilievo diminuisce gradualmente. (La forte flessione verso il basso delle geoisoterme a Balle è dovuta alla forte circolazione dell'acqua osservata qui.)

Temperatura della Terra a grandi profondità. Osservazioni sulle temperature nei pozzi, la cui profondità supera raramente i 2-3 km, Naturalmente, non possono dare un'idea delle temperature degli strati più profondi della Terra. Ma qui ci vengono in aiuto alcuni fenomeni della vita della crosta terrestre. Il vulcanismo è uno di questi fenomeni. I vulcani, diffusi sulla superficie terrestre, portano sulla superficie terrestre lave fuse, la cui temperatura supera i 1000°. Pertanto, a grandi profondità abbiamo temperature che superano i 1000°.

C'è stato un tempo in cui gli scienziati, sulla base della fase geotermica, hanno cercato di calcolare la profondità alla quale potevano essere temperature fino a 1000-2000°. Tuttavia, tali calcoli non possono essere considerati sufficientemente motivati. Le osservazioni fatte sulla temperatura della sfera di basalto di raffreddamento ei calcoli teorici danno motivo di affermare che il valore del gradino geotermico aumenta con la profondità. Ma non possiamo ancora dire fino a che punto e fino a che punto tale aumento vada.

Se assumiamo che la temperatura aumenti continuamente con la profondità, allora al centro della Terra dovrebbe essere misurata in decine di migliaia di gradi. A tali temperature, tutte le rocce a noi note dovrebbero passare allo stato liquido. È vero, c'è un'enorme pressione all'interno della Terra e non sappiamo nulla dello stato dei corpi a tali pressioni. Tuttavia, non abbiamo dati per affermare che la temperatura aumenti continuamente con la profondità. Ora la maggior parte dei geofisici giunge alla conclusione che la temperatura all'interno della Terra difficilmente può superare i 2000°.

Fonti di calore. Per quanto riguarda le fonti di calore che determinano la temperatura interna della Terra, possono essere diverse. Sulla base delle ipotesi che considerano la Terra formata da una massa rovente e fusa, il calore interno deve essere considerato il calore residuo di un corpo che si sta sciogliendo dalla superficie. Tuttavia, c'è motivo di credere che la ragione dell'elevata temperatura interna della Terra possa essere il decadimento radioattivo di uranio, torio, actinouranio, potassio e altri elementi contenuti nelle rocce. Gli elementi radioattivi sono per lo più distribuiti nelle rocce acide del guscio superficiale della Terra; sono meno comuni nelle rocce basiche profonde. Allo stesso tempo, le rocce di base ne sono più ricche dei meteoriti di ferro, che sono considerati frammenti delle parti interne dei corpi cosmici.

Nonostante la piccola quantità di sostanze radioattive nelle rocce e il loro lento decadimento, la quantità totale di calore risultante dal decadimento radioattivo è grande. geologo sovietico VG Khlopin calcolato che gli elementi radioattivi contenuti nel guscio superiore di 90 chilometri della Terra sono sufficienti a coprire la perdita di calore del pianeta per irraggiamento. Insieme al decadimento radioattivo, l'energia termica viene rilasciata durante la compressione della materia terrestre, durante reazioni chimiche eccetera.

- Fonte-

Polovinkin, AA Fondamenti di geografia generale / A.A. Polovinkin.- M.: Casa editrice educativa e pedagogica statale del Ministero dell'Istruzione della RSFSR, 1958.- 482 p.

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Immagina una casa sempre curata temperatura confortevole, e gli impianti di riscaldamento e raffrescamento non sono visibili. Questo sistema funziona in modo efficiente, ma non richiede una manutenzione complessa o conoscenze speciali da parte dei proprietari.

Aria fresca, si sente il cinguettio degli uccelli e il vento che gioca pigramente con le foglie degli alberi. La casa riceve energia dalla terra, come le foglie, che ricevono energia dalle radici. Bella foto, vero?

I sistemi di riscaldamento e raffrescamento geotermici rendono tutto questo una realtà. Un sistema geotermico HVAC (riscaldamento, ventilazione e condizionamento dell'aria) utilizza la temperatura del suolo per fornire riscaldamento in inverno e raffrescamento in estate.

Come funziona il riscaldamento e il raffrescamento geotermico

Temperatura ambiente cambia con le stagioni, ma la temperatura del sottosuolo non cambia molto a causa delle proprietà isolanti della terra. A una profondità di 1,5-2 metri, la temperatura rimane relativamente costante tutto l'anno. Un sistema geotermico è tipicamente costituito da apparecchiature di trattamento interne, un sistema di tubazioni sotterranee chiamato anello sotterraneo e/o una pompa di circolazione dell'acqua. Il sistema utilizza la temperatura costante della terra per fornire energia "pulita e gratuita".

(Non confondere il concetto di sistema geotermico NHC con "energia geotermica" - un processo in cui l'elettricità viene generata direttamente dal calore della terra. In quest'ultimo caso, viene utilizzato un diverso tipo di apparecchiature e altri processi, lo scopo di cui di solito è quello di riscaldare l'acqua fino al punto di ebollizione.)

I tubi che compongono l'ansa interrata sono solitamente realizzati in polietilene e possono essere posati orizzontalmente o verticalmente nel sottosuolo, a seconda del terreno. Se è disponibile una falda acquifera, gli ingegneri possono progettare un sistema "a circuito aperto" perforando un pozzo nella falda freatica. L'acqua viene pompata fuori, passa attraverso uno scambiatore di calore e quindi iniettata nella stessa falda acquifera tramite "reiniezione".

In inverno, l'acqua, passando attraverso un anello sotterraneo, assorbe il calore della terra. L'attrezzatura interna aumenta ulteriormente la temperatura e la distribuisce in tutto l'edificio. È come un condizionatore che funziona al contrario. Durante l'estate, un sistema geotermico NWC preleva acqua calda dall'edificio e la trasporta attraverso un circuito/pompa sotterranea fino a un pozzo di reiniezione, da dove l'acqua entra nel terreno/falda acquifera più fresca.

A differenza dei sistemi di riscaldamento e raffreddamento convenzionali, i sistemi HVAC geotermici non utilizzano combustibili fossili per generare calore. Prendono semplicemente calore dalla terra. In genere, l'elettricità viene utilizzata solo per azionare la ventola, il compressore e la pompa.

Ci sono tre componenti principali in un sistema di raffreddamento e riscaldamento geotermico: una pompa di calore, un fluido di scambio termico (sistema aperto o chiuso) e un sistema di alimentazione dell'aria (sistema di tubazioni).

Per le pompe di calore geotermiche, così come per tutte le altre tipologie di pompe di calore, è stato misurato il rapporto tra la loro azione utile e l'energia spesa per tale azione (EFFICIENZA). La maggior parte dei sistemi a pompa di calore geotermica ha un'efficienza compresa tra 3,0 e 5,0. Ciò significa che il sistema converte un'unità di energia in 3-5 unità di calore.

Gli impianti geotermici non richiedono manutenzioni complesse. Installato correttamente, il che è molto importante, il circuito sotterraneo può funzionare correttamente per diverse generazioni. Il ventilatore, il compressore e la pompa sono alloggiati all'interno e protetti dalle mutevoli condizioni meteorologiche, quindi possono durare molti anni, spesso decenni. I controlli periodici di routine, la sostituzione tempestiva del filtro e la pulizia annuale della batteria sono le uniche operazioni di manutenzione richieste.

Esperienza nell'uso di sistemi CNV geotermici

I sistemi geotermici NVC sono utilizzati da oltre 60 anni in tutto il mondo. Lavorano con la natura, non contro di essa, e non emettono gas serra (come notato in precedenza, usano meno elettricità perché usano la temperatura costante della terra).

I sistemi geotermici NVC stanno diventando sempre più attributi delle case verdi, come parte del crescente movimento di bioedilizia. I progetti verdi hanno rappresentato il 20 percento di tutte le case costruite negli Stati Uniti l'anno scorso. Un articolo del Wall Street Journal afferma che entro il 2016 il budget per la bioedilizia salirà da 36 miliardi di dollari all'anno a 114 miliardi di dollari. Ciò ammonterà al 30-40 percento dell'intero mercato immobiliare.

Ma gran parte delle informazioni sul riscaldamento e il raffreddamento geotermico si basano su dati obsoleti o miti infondati.

Distruggere i miti sui sistemi geotermici NWC

1. I sistemi geotermici NVC non sono una tecnologia rinnovabile perché utilizzano l'elettricità.

Fatto: i sistemi HVAC geotermici utilizzano solo un'unità di elettricità per produrre fino a cinque unità di raffreddamento o riscaldamento.

2. L'energia solare e l'energia eolica sono tecnologie rinnovabili più favorevoli rispetto ai sistemi geotermici CNV.

Fatto: i sistemi geotermici NVC per un dollaro elaborano quattro volte più kilowatt/ora rispetto a quelli generati dall'energia solare o eolica per lo stesso dollaro. Queste tecnologie possono, ovviamente, svolgere un ruolo importante per l'ambiente, ma un sistema geotermico NHC è spesso il modo più efficiente ed economico per ridurre l'impatto ambientale.

3. L'impianto geotermico CNV richiede molto spazio per accogliere le tubazioni in polietilene dell'anello sotterraneo.

Fatto: a seconda del terreno, il circuito sotterraneo può essere posizionato verticalmente, il che significa che è necessaria una piccola superficie. Se è disponibile una falda acquifera, sono necessari solo pochi metri quadrati di superficie. Si noti che l'acqua ritorna alla stessa falda acquifera da cui è stata prelevata dopo essere passata attraverso lo scambiatore di calore. Pertanto, l'acqua non defluisce e non inquina la falda acquifera.

4. Le pompe di calore geotermiche HVK sono rumorose.

Fatto: I sistemi sono molto silenziosi e non ci sono apparecchiature all'esterno per non disturbare i vicini.

5. I sistemi geotermici alla fine si consumano.

Fatto: i circuiti sotterranei possono durare per generazioni. Le apparecchiature per lo scambio di calore in genere durano decenni poiché sono protette all'interno. Quando arriva il momento di sostituire le apparecchiature, il costo di tale sostituzione è molto inferiore a quello di un nuovo sistema geotermico, poiché il circuito sotterraneo e il pozzo sono le sue parti più costose. Nuove soluzioni tecniche eliminano il problema della ritenzione di calore nel terreno, così il sistema può scambiare temperature in quantità illimitate. In passato ci sono stati casi di sistemi calcolati male che hanno effettivamente surriscaldato o sottoraffreddato il terreno al punto in cui non c'era più la differenza di temperatura necessaria per far funzionare il sistema.

6. I sistemi HVAC geotermici funzionano solo per il riscaldamento.

Fatto: funzionano in modo altrettanto efficiente per il raffreddamento e possono essere progettati in modo che non sia necessaria una fonte di calore di riserva aggiuntiva. Anche se alcuni clienti decidono che è più conveniente disporre di un piccolo sistema di backup per i periodi più freddi. Ciò significa che il loro circuito sotterraneo sarà più piccolo e quindi più economico.

7. I sistemi HVAC geotermici non possono riscaldare simultaneamente l'acqua sanitaria, l'acqua della piscina e riscaldare una casa.

Fatto: i sistemi possono essere progettati per svolgere molte funzioni contemporaneamente.

8. I sistemi geotermici NHC inquinano il suolo con refrigeranti.

Fatto: la maggior parte dei sistemi utilizza solo acqua nei cardini.

9. I sistemi geotermici NWC utilizzano molta acqua.

Fatto: i sistemi geotermici in realtà non consumano acqua. Se l'acqua sotterranea viene utilizzata per lo scambio di temperatura, tutta l'acqua ritorna nella stessa falda acquifera. In passato, infatti, venivano utilizzati alcuni sistemi che sprecavano l'acqua dopo essere passata attraverso lo scambiatore di calore, ma oggigiorno tali sistemi sono poco utilizzati. Guardando la questione da un punto di vista commerciale, i sistemi geotermici HC consentono di risparmiare milioni di litri d'acqua che sarebbero evaporati nei sistemi tradizionali.

10. La tecnologia CNV geotermica non è finanziariamente fattibile senza incentivi fiscali statali e regionali.

Fatto: gli incentivi statali e regionali in genere ammontano al 30-60% del costo totale di un sistema geotermico, il che spesso può portare il prezzo iniziale vicino al prezzo delle apparecchiature convenzionali. I sistemi ad aria HVAC standard costano circa $ 3.000 per tonnellata di calore o freddo (le case usano in genere da una a cinque tonnellate). Il prezzo dei sistemi NVC geotermici varia da circa $ 5.000 per tonnellata a $ 8.000-9.000. Tuttavia, i nuovi metodi di installazione riducono notevolmente i costi, fino ai prezzi dei sistemi convenzionali.

Il risparmio sui costi può essere ottenuto anche attraverso sconti su apparecchiature per uso pubblico o commerciale, o anche grandi ordini per la casa (soprattutto da grandi marchi come Bosch, Carrier e Trane). I circuiti aperti, che utilizzano una pompa e un pozzo di reiniezione, sono più economici da installare rispetto ai sistemi chiusi.

Fonte: energyblog.nationalgeographic.com

Potrebbe sembrare una fantasia se non fosse vero. Si scopre che nelle dure condizioni siberiane, puoi ottenere calore direttamente dal terreno. I primi oggetti con sistemi di riscaldamento geotermico sono apparsi nella regione di Tomsk l'anno scorso e, sebbene consentano di ridurre il costo del calore di circa quattro volte rispetto alle fonti tradizionali, non c'è ancora circolazione di massa "sotto terra". Ma la tendenza è evidente e, soprattutto, sta guadagnando slancio. In effetti, questa è la fonte di energia alternativa più conveniente per la Siberia, dove i pannelli solari o i generatori eolici, ad esempio, non possono sempre mostrare la loro efficacia. L'energia geotermica, infatti, giace proprio sotto i nostri piedi.

“La profondità del congelamento del suolo è di 2–2,5 metri. La temperatura del suolo al di sotto di questo segno rimane la stessa sia in inverno che in estate, variando da più uno a più cinque gradi Celsius. Il lavoro della pompa di calore è costruito su questa proprietà, afferma l'ingegnere elettrico del dipartimento dell'istruzione dell'amministrazione della regione di Tomsk Romano Alekseenko. - I tubi di collegamento sono interrati nel contorno della terra ad una profondità di 2,5 metri, ad una distanza di circa un metro e mezzo l'uno dall'altro. Un liquido di raffreddamento - glicole etilenico - circola nel sistema di tubazioni. Il circuito di terra orizzontale esterno comunica con l'unità di refrigerazione, nella quale circola il refrigerante - freon, gas a basso punto di ebollizione. A più tre gradi Celsius, questo gas inizia a bollire e quando il compressore comprime bruscamente il gas bollente, la temperatura di quest'ultimo sale a più 50 gradi Celsius. Il gas riscaldato viene inviato ad uno scambiatore di calore in cui circola acqua distillata ordinaria. Il liquido si riscalda e diffonde il calore in tutto l'impianto di riscaldamento posato a pavimento.

Fisica pura e niente miracoli

Un asilo dotato di un moderno sistema di riscaldamento geotermico danese è stato aperto la scorsa estate nel villaggio di Turuntaevo vicino a Tomsk. Secondo il direttore della società di Tomsk Ecoclimat Giorgio Granin, il sistema ad alta efficienza energetica ha consentito più volte di ridurre il corrispettivo per la fornitura di calore. Per otto anni, questa impresa di Tomsk ha già dotato circa duecento oggetti in diverse regioni della Russia con sistemi di riscaldamento geotermico e continua a farlo nella regione di Tomsk. Quindi non ci sono dubbi nelle parole di Granin. Un anno prima dell'apertura di un asilo nido a Turuntaevo, Ecoclimat ha dotato un sistema di riscaldamento geotermico, che è costato 13 milioni di rubli, un altro Asilo"Sunny Bunny" nel microdistretto di Tomsk "Green Hills". In effetti, è stata la prima esperienza del genere. E ha avuto abbastanza successo.

Già nel 2012, durante una visita in Danimarca, organizzata nell'ambito del programma dell'Euro Info Corrispondence Center (regione EICC-Tomsk), l'azienda è riuscita a concordare una cooperazione con l'azienda danese Danfoss. E oggi, l'attrezzatura danese aiuta a estrarre il calore dalle viscere di Tomsk e, come dicono gli esperti senza troppa modestia, risulta abbastanza efficiente. Il principale indicatore di efficienza è l'economia. "L'impianto di riscaldamento dell'edificio dell'asilo con una superficie di 250 metri quadrati a Turuntaevo è costato 1,9 milioni di rubli, - dice Granin. "E il canone di riscaldamento è di 20-25 mila rubli all'anno." Tale importo è incomparabile con quello che l'asilo pagherebbe per il riscaldamento utilizzando le fonti tradizionali.

Il sistema ha funzionato senza problemi nelle condizioni dell'inverno siberiano. È stato effettuato un calcolo della conformità delle apparecchiature termiche alle norme SanPiN, secondo le quali devono mantenere una temperatura di almeno + 19°C nell'edificio dell'asilo ad una temperatura dell'aria esterna di -40°C. In totale, sono stati spesi circa quattro milioni di rubli per la riqualificazione, la riparazione e la riattrezzatura dell'edificio. Insieme alla pompa di calore, l'importo era di poco inferiore ai sei milioni. Grazie alle pompe di calore oggi il riscaldamento dell'asilo è un sistema completamente isolato e indipendente. Non ci sono batterie tradizionali nell'edificio ora e lo spazio è riscaldato utilizzando il sistema "pavimento caldo".

L'asilo Turuntayevsky è isolato, come si suol dire, "da" e "a" - l'edificio è dotato di isolamento termico aggiuntivo: uno strato di isolamento di 10 cm equivalente a due o tre mattoni è installato sopra il muro esistente (tre mattoni spesso). Dietro l'isolamento c'è un'intercapedine d'aria, seguita da un rivestimento metallico. Il tetto è coibentato allo stesso modo. L'attenzione principale dei costruttori si è concentrata sul "pavimento caldo", il sistema di riscaldamento dell'edificio. Si è scoperto diversi strati: un pavimento di cemento, uno strato di plastica espansa di 50 mm di spessore, un sistema di tubi in cui acqua calda e linoleum. Sebbene la temperatura dell'acqua nello scambiatore di calore possa raggiungere i +50°C, il riscaldamento massimo dell'effettivo rivestimento del pavimento non supera i +30°C. La temperatura effettiva di ogni stanza può essere regolata manualmente: i sensori automatici consentono di impostare la temperatura del pavimento in modo tale che la stanza dell'asilo si riscaldi ai gradi richiesti dalle norme sanitarie.

La potenza della pompa nel giardino Turuntaevsky è di 40 kW di energia termica generata, per la produzione della quale la pompa di calore richiede 10 kW di energia elettrica. Pertanto, su 1 kW di energia elettrica consumata, la pompa di calore produce 4 kW di calore. “Avevamo un po' paura dell'inverno, non sapevamo come si sarebbero comportate le pompe di calore. Ma anche in caso di forti gelate all'asilo faceva costantemente caldo - da più 18 a 23 gradi Celsius, - afferma il direttore della scuola secondaria di Turuntaev Evgeni Belonogov. - Certo, qui vale la pena considerare che l'edificio stesso era ben isolato. L'attrezzatura è senza pretese nella manutenzione e, nonostante si tratti di uno sviluppo occidentale, si è rivelata abbastanza efficace nelle nostre dure condizioni siberiane".

Un progetto globale per lo scambio di esperienze nel campo della conservazione delle risorse è stato attuato dalla regione EICC-Tomsk della Camera di commercio e industria di Tomsk. I partecipanti erano piccole e medie imprese che sviluppano e implementano tecnologie per il risparmio delle risorse. Nel maggio dello scorso anno, esperti danesi hanno visitato Tomsk nell'ambito di un progetto russo-danese e il risultato è stato, come si suol dire, ovvio.

L'innovazione arriva a scuola

Una nuova scuola nel villaggio di Vershinino, nella regione di Tomsk, costruita da un contadino Michail Kolpakov, è la terza struttura della regione che utilizza il calore della terra come fonte di calore per il riscaldamento e la fornitura di acqua calda. La scuola è anche unica perché ha la più alta categoria di efficienza energetica - "A". L'impianto di riscaldamento è stato progettato e lanciato dalla stessa azienda Ecoclimat.

"Quando stavamo decidendo che tipo di riscaldamento installare nella scuola, avevamo diverse opzioni: una caldaia a carbone e pompe di calore", afferma Mikhail Kolpakov. - Abbiamo studiato l'esperienza di un asilo ad alta efficienza energetica a Zeleny Gorki e abbiamo calcolato che il riscaldamento alla vecchia maniera, a carbone, ci costerà più di 1,2 milioni di rubli all'inverno e abbiamo anche bisogno di acqua calda. E con le pompe di calore il costo sarà di circa 170mila per tutto l'anno, insieme all'acqua calda».

Il sistema necessita solo di elettricità per produrre calore. Consumando 1 kW di elettricità, le pompe di calore di una scuola producono circa 7 kW di energia termica. Inoltre, a differenza del carbone e del gas, il calore della terra è una fonte di energia autorinnovabile. Installazione di un moderno sistema di riscaldamento La scuola è costata circa 10 milioni di rubli. Per questo sono stati perforati 28 pozzi nel cortile della scuola.

“L'aritmetica qui è semplice. Abbiamo calcolato che la manutenzione della caldaia a carbone, tenendo conto dello stipendio del fuochista e del costo del carburante, costerà più di un milione di rubli all'anno, - osserva il capo del dipartimento dell'istruzione Sergey Efimov. - Quando usi le pompe di calore, dovrai pagare per tutte le risorse circa quindicimila rubli al mese. Gli indubbi vantaggi dell'utilizzo delle pompe di calore sono la loro efficienza e rispetto dell'ambiente. Il sistema di fornitura del calore consente di regolare la fornitura di calore in base al clima esterno, eliminando il cosiddetto "sottoriscaldamento" o "surriscaldamento" dell'ambiente.

Secondo i calcoli preliminari, le costose apparecchiature danesi si ripagheranno da sole in quattro o cinque anni. La vita utile delle pompe di calore Danfoss, con cui lavora Ecoclimat LLC, è di 50 anni. Ricevendo informazioni sulla temperatura dell'aria esterna, il computer determina quando riscaldare la scuola e quando è possibile non farlo. Pertanto, la questione della data di accensione e spegnimento del riscaldamento scompare del tutto. Indipendentemente dalle condizioni meteorologiche, la climatizzazione funzionerà sempre fuori dalle finestre all'interno della scuola per bambini.

"Quando l'Ambasciatore Straordinario e Plenipotenziario del Regno di Danimarca è venuto alla riunione tutta russa lo scorso anno e ha visitato il nostro asilo nido a Zeleniye Gorki, è rimasto piacevolmente sorpreso dal fatto che quelle tecnologie considerate innovative anche a Copenaghen siano applicate e funzionino nel Tomsk regione, - afferma il direttore commerciale di Ecoclimat Alessandro Granin.

In generale, l'uso di fonti energetiche rinnovabili locali in vari settori dell'economia, in questo caso in sfera sociale, che comprende scuole e asili nido, è una delle principali aree attuate nella regione nell'ambito del programma per il risparmio energetico e l'efficienza energetica. Lo sviluppo delle energie rinnovabili è attivamente sostenuto dal governatore della regione Sergey Zhvachkin. E tre istituzioni di bilancio con un sistema di riscaldamento geotermico sono solo i primi passi verso l'attuazione di un progetto ampio e promettente.

L'asilo di Zelenye Gorki è stato riconosciuto come la migliore struttura ad alta efficienza energetica in Russia in un concorso a Skolkovo. Poi è arrivata la scuola Vershininskaya con il riscaldamento geotermico, anch'esso della più alta categoria di efficienza energetica. Il prossimo oggetto, non meno significativo per la regione di Tomsk, è un asilo nido a Turuntaevo. Quest'anno le società Gazhimstroyinvest e Stroygarant hanno già iniziato la costruzione di asili nido per 80 e 60 bambini rispettivamente nei villaggi della regione di Tomsk, Kopylovo e Kandinka. Entrambi i nuovi impianti saranno riscaldati da sistemi di riscaldamento geotermico - da pompe di calore. In totale, quest'anno l'amministrazione distrettuale intende spendere quasi 205 milioni di rubli per la costruzione di nuovi asili nido e la riparazione di quelli esistenti. Si prevede di ricostruire e riattrezzare l'edificio per un asilo nido nel villaggio di Takhtamyshevo. In questo edificio il riscaldamento sarà realizzato anche tramite pompe di calore, poiché l'impianto si è dimostrato valido.

"Utilizzo dell'energia termica a basso potenziale della terra negli impianti a pompa di calore"

Vasiliev G.P., Direttore Scientifico di INSOLAR-INVEST OJSC, Dottore in Scienze Tecniche, Presidente del Consiglio di Amministrazione di INSOLAR-INVEST OJSC
N. V. Shilkin, ingegnere, NIISF (Mosca)

Uso razionale di combustibili e risorse energetiche oggi è uno dei problemi mondiali globali, la cui riuscita soluzione, a quanto pare, sarà di importanza decisiva non solo per l'ulteriore sviluppo della comunità mondiale, ma anche per la conservazione del suo habitat. Uno dei modi promettenti per risolvere questo problema è applicazione di nuove tecnologie per il risparmio energetico utilizzando fonti di energia rinnovabili non tradizionali (NRES) L'esaurimento dei combustibili fossili tradizionali e le conseguenze ambientali della loro combustione hanno portato negli ultimi decenni a un aumento significativo dell'interesse per queste tecnologie in quasi tutti i paesi. paesi sviluppati pace.

I vantaggi delle tecnologie di fornitura del calore che utilizzano rispetto alle loro controparti tradizionali sono associati non solo a significative riduzioni dei costi energetici nei sistemi di supporto vitale di edifici e strutture, ma anche alla loro compatibilità ambientale, nonché a nuove opportunità nel campo della aumentare il grado di autonomia dei sistemi di supporto vitale. Apparentemente, nel prossimo futuro, saranno queste qualità che saranno di importanza decisiva nel plasmare una situazione competitiva nel mercato delle apparecchiature per la generazione di calore.

Analisi delle possibili aree di applicazione nell'economia russa delle tecnologie di risparmio energetico che utilizzano fonti energetiche non tradizionali, mostra che in Russia l'area più promettente per la loro attuazione sono i sistemi di supporto vitale degli edifici. Allo stesso tempo, l'uso diffuso di sistemi di fornitura di calore a pompa di calore (TST), utilizzando il suolo degli strati superficiali della Terra come fonte di calore a basso potenziale ubiquamente disponibile.

Usando Il calore della terra Esistono due tipi di energia termica: ad alto potenziale e a basso potenziale. La fonte di energia termica ad alto potenziale sono le risorse idrotermali: acque termali riscaldate ad alta temperatura a seguito di processi geologici, che consentono loro di essere utilizzate per la fornitura di calore agli edifici. Tuttavia, l'uso del calore ad alto potenziale della Terra è limitato ad aree con determinati parametri geologici. In Russia, questa è, ad esempio, la Kamchatka, la regione delle acque minerali del Caucaso; in Europa esistono fonti di calore ad alto potenziale in Ungheria, Islanda e Francia.

In contrasto con l'uso "diretto" di calore ad alto potenziale (risorse idrotermali), uso del calore di bassa qualità della Terra attraverso le pompe di calore è possibile quasi ovunque. Attualmente è una delle aree di utilizzo in più rapida crescita fonti di energia rinnovabili non tradizionali.

Calore a basso potenziale della Terra può essere utilizzato in vari tipi di edifici e strutture in molti modi: per il riscaldamento, la fornitura di acqua calda, il condizionamento (raffrescamento), i percorsi di riscaldamento nella stagione invernale, per la prevenzione della formazione di ghiaccio, il riscaldamento dei campi negli stadi all'aperto, ecc. letteratura tecnica linguistica, tali sistemi sono designati come "GHP" - "pompe di calore geotermiche", pompe di calore geotermiche.

Le caratteristiche climatiche dei paesi del Centro e Nord Europa, che, insieme agli Stati Uniti e al Canada, sono le principali aree di utilizzo del calore debole della Terra, determinano principalmente il fabbisogno di riscaldamento; raffreddamento ad aria anche all'interno periodo estivo relativamente raramente richiesto. Pertanto, a differenza degli Stati Uniti, pompe di calore nei paesi europei operano principalmente in modalità riscaldamento. NEGLI USA pompe di calore più comunemente usato nei sistemi riscaldamento ad aria, abbinata alla ventilazione, che permette sia il riscaldamento che il raffrescamento dell'aria esterna. A paesi europei pompe di calore comunemente usato negli impianti di riscaldamento dell'acqua. Perché il efficienza della pompa di calore aumenta al diminuire della differenza di temperatura tra l'evaporatore e il condensatore, i sistemi di riscaldamento a pavimento sono spesso utilizzati per il riscaldamento degli edifici, in cui circola un liquido di raffreddamento a temperatura relativamente bassa (35–40 °C).

Maggioranza pompe di calore in Europa, progettati per sfruttare il basso grado di calore della Terra, sono dotati di compressori azionati elettricamente.

Negli ultimi dieci anni, il numero di sistemi che utilizzano il calore di bassa qualità della Terra per la fornitura di calore e freddo agli edifici attraverso pompe di calore, aumentato significativamente. Il maggior numero di tali sistemi viene utilizzato negli Stati Uniti. Un gran numero di tali sistemi opera in Canada e nei paesi dell'Europa centrale e settentrionale: Austria, Germania, Svezia e Svizzera. La Svizzera è leader nell'uso pro capite di energia termica di bassa qualità della Terra. In Russia, negli ultimi dieci anni, utilizzando la tecnologia e con la partecipazione di INSOLAR-INVEST OJSC, specializzata in questo settore, sono stati costruiti solo pochi oggetti, di cui i più interessanti sono presentati.

A Mosca, nel microdistretto Nikulino-2, infatti, per la prima volta, a sistema a pompa di calore per acqua calda edificio residenziale multipiano. Questo progetto è stato attuato nel 1998-2002 dal Ministero della Difesa della Federazione Russa insieme al Governo di Mosca, al Ministero dell'Industria e della Scienza della Russia, all'Associazione NP ABOK e nell'ambito di "Programma di risparmio energetico a lungo termine a Mosca".

Come fonte di energia termica a basso potenziale per gli evaporatori delle pompe di calore, viene utilizzato il calore del suolo degli strati superficiali della Terra, nonché il calore dell'aria di ventilazione rimossa. L'impianto di preparazione dell'acqua calda si trova al piano interrato dell'edificio. Comprende i seguenti elementi principali:

• installazioni di pompe di calore a compressione di vapore (HPU);
• serbatoi di accumulo di acqua calda;
• sistemi per la raccolta dell'energia termica di basso grado del suolo e del calore di basso grado dell'aria di ventilazione sottratta;
• pompe di circolazione, strumentazione

Il principale elemento di scambio termico del sistema di raccolta del calore del suolo di bassa qualità sono gli scambiatori di calore a terra coassiali verticali posti all'esterno lungo il perimetro dell'edificio. Questi scambiatori di calore sono 8 pozzi con una profondità da 32 a 35 m ciascuno, disposti vicino alla casa. Poiché la modalità di funzionamento delle pompe di calore utilizzando il calore della terra e il calore dell'aria aspirata è costante, mentre il consumo di acqua calda è variabile, l'impianto di alimentazione dell'acqua calda è dotato di serbatoi di accumulo.

Nella tabella sono riportati i dati che stimano il livello mondiale di utilizzo dell'energia termica a basso potenziale della Terra per mezzo di pompe di calore.

Tabella 1. Livello mondiale di utilizzo dell'energia termica a basso potenziale della Terra attraverso le pompe di calore

Il suolo come fonte di energia termica a basso potenziale

Come fonte di energia termica a basso potenziale, possono essere utilizzate acque sotterranee con una temperatura relativamente bassa o suolo degli strati superficiali (fino a 400 m di profondità) della Terra.. Il contenuto di calore della massa del suolo è generalmente più elevato. Il regime termico del suolo degli strati superficiali della Terra si forma sotto l'influenza di due fattori principali: la radiazione solare incidente sulla superficie e il flusso di calore radiogeno dall'interno della terra. Le variazioni stagionali e giornaliere dell'intensità della radiazione solare e della temperatura esterna provocano fluttuazioni della temperatura degli strati superiori del suolo. La profondità di penetrazione delle fluttuazioni giornaliere della temperatura dell'aria esterna e l'intensità della radiazione solare incidente, a seconda delle specifiche condizioni pedoclimatiche, varia da alcune decine di centimetri a un metro e mezzo. La profondità di penetrazione delle fluttuazioni stagionali della temperatura dell'aria esterna e l'intensità della radiazione solare incidente non supera, di regola, i 15-20 m.

Il regime di temperatura degli strati di suolo situati al di sotto di questa profondità ("zona neutra") si forma sotto l'influenza dell'energia termica proveniente dalle viscere della Terra e praticamente non dipende dalle variazioni stagionali, e ancor più giornaliere, dei parametri climatici esterni ( Fig. 1).

Riso. 1. Grafico delle variazioni della temperatura del suolo in funzione della profondità

Con l'aumentare della profondità, la temperatura del suolo aumenta in funzione del gradiente geotermico (circa 3 gradi C ogni 100 m). L'entità del flusso di calore radiogeno proveniente dalle viscere della terra varia per le diverse località. Per l'Europa centrale, questo valore è 0,05–0,12 W/m2.

Durante il periodo operativo, la massa di suolo situata all'interno della zona di influenza termica del registro dei tubi dello scambiatore di calore del suolo del sistema di raccolta del calore del suolo di bassa qualità (sistema di raccolta del calore), a causa delle variazioni stagionali dei parametri del il clima esterno, nonché sotto l'influenza dei carichi operativi sul sistema di raccolta del calore, di norma, è soggetto a ripetuti congelamenti e sbrinamenti. In questo caso, naturalmente, si ha una variazione dello stato di aggregazione dell'umidità contenuta nei pori del terreno e, nel caso generale, sia in fase liquida che in fase solida e gassosa contemporaneamente. In altre parole, il massiccio del suolo del sistema di raccolta del calore, indipendentemente dallo stato in cui si trova (congelato o scongelato), è un complesso sistema eterogeneo polidisperso a tre fasi, il cui scheletro è formato da un numero enorme di particelle solide di di varie forme e dimensioni e possono essere sia rigidi che mobili, a seconda che le particelle siano saldamente legate tra loro o che siano separate tra loro da una sostanza in fase mobile. Gli interstizi tra le particelle solide possono essere riempiti con umidità mineralizzata, gas, vapore e ghiaccio, o entrambi. Modellare i processi di trasferimento di calore e di massa che formano il regime termico di un tale sistema multicomponente è un compito estremamente difficile, poiché richiede la presa in considerazione e la descrizione matematica di vari meccanismi per la loro implementazione: conduzione del calore in una singola particella, trasferimento del calore da una particella all'altra al loro contatto, conduzione del calore molecolare in un mezzo che riempie gli spazi vuoti tra le particelle, convezione di vapore e umidità contenuta nello spazio dei pori e molti altri.

Particolare attenzione dovrebbe essere prestata all'influenza dell'umidità della massa del suolo e alla migrazione dell'umidità nel suo spazio poroso sui processi termici che determinano le caratteristiche del suolo come fonte di energia termica a basso potenziale.

Nei sistemi capillari porosi, che è la massa di terreno del sistema di raccolta del calore, la presenza di umidità nello spazio dei pori ha un effetto significativo sul processo di distribuzione del calore. La corretta contabilizzazione di questa influenza oggi è associata a difficoltà significative, che sono principalmente associate alla mancanza di idee chiare sulla natura della distribuzione delle fasi solide, liquide e gassose dell'umidità in una particolare struttura del sistema. La natura delle forze di legame dell'umidità con le particelle scheletriche, la dipendenza delle forme di legame dell'umidità con il materiale nei vari stadi di inumidimento e il meccanismo del movimento dell'umidità nello spazio dei pori non sono stati ancora chiariti.

Se c'è un gradiente di temperatura nello spessore della massa del suolo, le molecole di vapore si spostano in luoghi con un potenziale di temperatura inferiore, ma allo stesso tempo, sotto l'azione delle forze gravitazionali, si verifica un flusso di umidità nella fase liquida orientato in modo opposto . Inoltre, l'umidità influisce sul regime di temperatura degli strati superiori del terreno. precipitazione così come le acque sotterranee.

I principali fattori sotto l'influenza di cui si formano regime di temperatura i sistemi di raccolta della massa del suolo per il calore del suolo a basso potenziale sono mostrati in fig. 2.

Riso. 2. Fattori sotto l'influenza di cui si forma il regime di temperatura del suolo

Tipi di sistemi per l'utilizzo dell'energia termica a basso potenziale della Terra

Collegare gli scambiatori di calore a terra apparecchiature a pompa di calore con la massa del suolo. Oltre ad "estrarre" il calore della Terra, gli scambiatori di calore a terra possono essere utilizzati anche per accumulare calore (o freddo) nel massiccio del terreno.

Nel caso generale si possono distinguere due tipologie di sistemi per l'utilizzo dell'energia termica a basso potenziale della Terra:

• sistemi aperti: come fonte di energia termica a basso potenziale viene utilizzata l'acqua di falda, che viene fornita direttamente alle pompe di calore;
• sistemi chiusi: gli scambiatori di calore si trovano nel massiccio del suolo; quando un liquido di raffreddamento circola attraverso di loro con una temperatura più bassa rispetto al suolo, l'energia termica viene "selezionata" dal suolo e trasferita all'evaporatore pompa di calore(o, quando si utilizza un liquido di raffreddamento con una temperatura elevata rispetto al suolo, il suo raffreddamento).

La parte principale dei sistemi aperti sono i pozzi, che consentono di estrarre le acque sotterranee dalle falde acquifere del suolo e di restituire l'acqua alle stesse falde acquifere. Di solito i pozzi accoppiati sono disposti per questo. Uno schema di tale sistema è mostrato in fig. 3.

Riso. 3. Schema di un sistema aperto per l'utilizzo dell'energia termica a basso potenziale delle acque sotterranee

Il vantaggio dei sistemi aperti è la possibilità di ottenere una grande quantità di energia termica a costi relativamente bassi. Tuttavia, i pozzi richiedono manutenzione. Inoltre, l'uso di tali sistemi non è possibile in tutte le aree. I requisiti principali per il suolo e le acque sotterranee sono i seguenti:

• sufficiente permeabilità del suolo, consentendo il ripristino delle riserve idriche;
• Buona Composizione chimica acque sotterranee (ad es. a basso contenuto di ferro) per evitare incrostazioni nei tubi e problemi di corrosione.

I sistemi aperti sono più spesso utilizzati per il riscaldamento o il raffreddamento di grandi edifici. Il più grande sistema di pompe di calore geotermiche del mondo utilizza le falde acquifere come fonte di energia termica a basso potenziale. Questo sistema si trova negli Stati Uniti a Louisville, Kentucky. Il sistema è utilizzato per la fornitura di calore e freddo di un complesso alberghiero-uffici; la sua potenza è di circa 10 MW.

A volte i sistemi che utilizzano il calore della Terra includono sistemi per l'utilizzo di calore di bassa qualità da corpi idrici aperti, naturali e artificiali. Questo approccio è adottato, in particolare, negli Stati Uniti. I sistemi che utilizzano calore di bassa qualità dai serbatoi sono classificati come aperti, così come i sistemi che utilizzano calore di bassa qualità dalle acque sotterranee.

I sistemi chiusi, a loro volta, sono divisi in orizzontali e verticali.

Scambiatore di calore orizzontale a terra(nella letteratura inglese si usano anche i termini “ground heat collector” e “horizontal loop”) è solitamente sistemato vicino alla casa a una profondità ridotta (ma al di sotto del livello di congelamento del suolo in inverno). L'uso di scambiatori di calore orizzontali a terra è limitato dalle dimensioni del sito disponibile.

Nei paesi dell'Europa occidentale e centrale, gli scambiatori di calore orizzontali a terra sono generalmente tubi separati posati in modo relativamente stretto e collegati tra loro in serie o in parallelo (Fig. 4a, 4b). Per salvare l'area del sito, sono stati sviluppati tipi migliorati di scambiatori di calore, ad esempio scambiatori di calore a forma di spirale, posizionati orizzontalmente o verticalmente (Fig. 4e, 4f). Questa forma di scambiatori di calore è comune negli Stati Uniti.

Riso. 4. Tipi di scambiatori di calore a terra orizzontali
a - uno scambiatore di calore di tubi collegati in serie;
b - scambiatore di calore da tubi paralleli;
c - un collettore orizzontale posato in una trincea;
d - scambiatore di calore a forma di anello;
e - uno scambiatore di calore a forma di spirale disposto orizzontalmente (il cosiddetto collettore "slinky";
e - uno scambiatore di calore a forma di spirale posizionato verticalmente

Se un sistema con scambiatori di calore orizzontali viene utilizzato solo per la produzione di calore, il suo normale funzionamento è possibile solo se vi è un sufficiente apporto di calore dalla superficie terrestre dovuto all'irraggiamento solare. Per questo motivo, la superficie sopra gli scambiatori di calore deve essere esposta alla luce solare.

Scambiatori di calore verticali a terra(nella letteratura inglese è accettata la designazione "BHE" - "borehole heat exchanger") consentono l'uso dell'energia termica a basso potenziale della massa di suolo che si trova al di sotto della "zona neutra" (10–20 m dal livello del suolo). Gli impianti con scambiatori di calore verticali a terra non richiedono grandi superfici e non dipendono dall'intensità della radiazione solare che cade sulla superficie. Gli scambiatori di calore verticali a terra funzionano efficacemente in quasi tutti i tipi di ambienti geologici, ad eccezione dei terreni a bassa conducibilità termica, come sabbia secca o ghiaia secca. Molto diffusi sono i sistemi con scambiatori di calore verticali a terra.

In fig. 5.

Riso. 5. Schema di riscaldamento e fornitura di acqua calda di un edificio residenziale di un appartamento per mezzo di un'unità a pompa di calore con scambiatore di calore a terra verticale

Il liquido di raffreddamento circola attraverso tubi (il più delle volte polietilene o polipropilene) posati in pozzi verticali da 50 a 200 m di profondità Solitamente vengono utilizzati due tipi di scambiatori di calore a terra verticali (Fig. 6):

• Scambiatore di calore a forma di U, che sono due tubi paralleli collegati nella parte inferiore. Una o due (raramente tre) paia di tali tubi si trovano in un pozzo. Il vantaggio di un tale schema è il costo di produzione relativamente basso. Gli scambiatori di calore a doppia U sono il tipo di scambiatori di calore verticali a terra più utilizzati in Europa.
• Scambiatore di calore coassiale (concentrico). Lo scambiatore di calore coassiale più semplice è costituito da due tubi di diverso diametro. Un tubo di diametro inferiore viene posizionato all'interno di un altro tubo. Gli scambiatori di calore coassiali possono avere configurazioni più complesse.

Riso. 6. Sez vari tipi scambiatori di calore verticali a terra

Per aumentare l'efficienza degli scambiatori di calore, lo spazio tra le pareti del pozzo e le tubazioni è riempito con speciali materiali termoconduttori.

I sistemi con scambiatori di calore a terra verticali possono essere utilizzati per il riscaldamento e il raffreddamento degli edifici varie dimensioni. Per un piccolo edificio è sufficiente uno scambiatore di calore; per edifici di grandi dimensioni può essere necessario un intero gruppo di pozzi con scambiatori di calore verticali. Il maggior numero di pozzi al mondo viene utilizzato nel sistema di riscaldamento e raffreddamento del Richard Stockton College nello stato americano del New Jersey. Gli scambiatori di calore verticali a terra di questo collegio si trovano in 400 pozzi profondi 130 m In Europa, il maggior numero di pozzi (154 pozzi 70 m profondi) è utilizzato nel sistema di riscaldamento e raffreddamento dell'ufficio centrale del controllo del traffico aereo tedesco Servizio ("Deutsche Flug-sicherung").

Un caso speciale di sistemi chiusi verticali è l'uso di strutture edilizie come scambiatori di calore nel terreno, ad esempio pali di fondazione con tubazioni incorporate. La sezione di una tale pila con tre contorni di uno scambiatore di calore del suolo è mostrata in fig. 7.

Riso. 7. Schema degli scambiatori di calore a terra incorporati nei pali di fondazione dell'edificio e nella sezione trasversale di tale palo

La massa del suolo (nel caso di scambiatori di calore a terra verticali) e le strutture edili con scambiatori di calore a terra possono essere utilizzate non solo come sorgente, ma anche come accumulatore naturale di energia termica o "freddo", ad esempio, calore da radiazione solare.

Ci sono sistemi che non possono essere chiaramente classificati come aperti o chiusi. Ad esempio, lo stesso pozzo profondo (da 100 a 450 m) riempito d'acqua può essere sia produzione che iniezione. Il diametro del pozzo è solitamente di 15 cm Nella parte inferiore del pozzo è posizionata una pompa, attraverso la quale l'acqua del pozzo viene fornita agli evaporatori della pompa di calore. L'acqua di ritorno ritorna nella parte superiore della colonna d'acqua nello stesso pozzo. C'è una ricarica costante del pozzo con la falda freatica e il sistema aperto funziona come un sistema chiuso. Sistemi di questo tipo nella letteratura inglese sono chiamati "standing column well system" (Fig. 8).

Riso. 8. Schema del tipo di pozzo "pozzo di colonna in piedi"

Tipicamente, pozzi di questo tipo vengono utilizzati anche per rifornire l'edificio di acqua potabile.. Tuttavia, un tale sistema può funzionare efficacemente solo in terreni che forniscono un apporto costante di acqua al pozzo, che ne impedisce il congelamento. Se la falda acquifera è troppo profonda, sarà necessaria una pompa potente per il normale funzionamento del sistema, che richiede maggiori costi energetici. La grande profondità del pozzo provoca un costo piuttosto elevato di tali sistemi, quindi non vengono utilizzati per l'approvvigionamento di calore e freddo di piccoli edifici. Ora ci sono molti di questi sistemi nel mondo negli Stati Uniti, in Germania e in Europa.

Una delle aree promettenti è l'uso dell'acqua proveniente da miniere e gallerie come fonte di energia termica di bassa qualità. La temperatura di quest'acqua è costante tutto l'anno. L'acqua delle miniere e dei tunnel è prontamente disponibile.

"Sostenibilità" di sistemi per l'utilizzo del calore di bassa qualità della Terra

Durante il funzionamento dello scambiatore di calore del suolo, può verificarsi una situazione in cui durante la stagione di riscaldamento la temperatura del suolo vicino allo scambiatore di calore del suolo diminuisce e in estate il terreno non ha il tempo di riscaldarsi alla temperatura iniziale: la sua temperatura potenziali diminuzioni. Il consumo di energia durante la prossima stagione di riscaldamento provoca una diminuzione ancora maggiore della temperatura del suolo e il suo potenziale di temperatura viene ulteriormente ridotto. Questo forza la progettazione del sistema uso del calore di bassa qualità della Terra considerare il problema della "stabilità" (sostenibilità) di tali sistemi. Spesso, le risorse energetiche vengono utilizzate in modo molto intensivo per ridurre il periodo di ammortamento delle apparecchiature, che può portare al loro rapido esaurimento. Pertanto, è necessario mantenere un livello di produzione di energia tale da consentire lo sfruttamento della fonte di risorse energetiche. a lungo. Questa capacità dei sistemi di mantenere a lungo il livello di produzione di calore richiesto è chiamata “sostenibilità”. Per sistemi a basso potenziale Il calore della terra si dà la seguente definizione di sostenibilità: “Per ogni sistema di utilizzo del calore a basso potenziale della Terra e per ogni modalità di funzionamento di tale sistema, esiste un certo livello massimo di produzione di energia; la produzione di energia al di sotto di questo livello può essere mantenuta a lungo (100–300 anni).”

Tenutosi a OJSC INSOLAR-INVEST studi hanno dimostrato che il consumo di energia termica dalla massa del suolo entro la fine della stagione di riscaldamento provoca un abbassamento della temperatura del suolo in prossimità del registro delle tubazioni del sistema di captazione del calore, che, nelle condizioni pedoclimatiche della maggior parte del territorio della Russia, non ha il tempo di compensare nella stagione estiva e all'inizio della prossima stagione di riscaldamento il terreno esce con un potenziale di bassa temperatura. Il consumo di energia termica durante la successiva stagione di riscaldamento provoca un'ulteriore diminuzione della temperatura del suolo e all'inizio della terza stagione di riscaldamento il suo potenziale termico si discosta ancora di più da quello naturale. E così via. Tuttavia, gli inviluppi dell'influenza termica del funzionamento a lungo termine del sistema di raccolta del calore sul regime di temperatura naturale del suolo hanno un carattere esponenziale pronunciato e, entro il quinto anno di funzionamento, il suolo entra in un nuovo regime quasi periodico, ovvero, a partire dal quinto anno di funzionamento, il consumo a lungo termine di energia termica dalla massa del suolo del sistema di raccolta del calore è accompagnato da periodiche variazioni della sua temperatura. Così, durante la progettazione impianti di riscaldamento a pompa di calore sembra necessario tenere conto del calo delle temperature del massiccio del suolo, causato dal funzionamento a lungo termine del sistema di captazione del calore, e utilizzare come parametri di progetto le temperature del massiccio del suolo previste per il 5° anno di funzionamento del TST .

Nei sistemi combinati, utilizzato sia per la fornitura di calore che di freddo, il bilancio termico è impostato “automaticamente”: in inverno (è necessaria la fornitura di calore), la massa del suolo viene raffreddata, in estate (è necessaria la fornitura di freddo), la massa del suolo viene riscaldata. Nei sistemi che utilizzano il calore della falda freatica di bassa qualità, c'è un costante reintegro delle riserve idriche a causa dell'acqua che filtra dalla superficie e dell'acqua proveniente dagli strati più profondi del suolo. Pertanto, il contenuto di calore delle acque sotterranee aumenta sia "dall'alto" (a causa del calore aria atmosferica), e “dal basso” (a causa del calore della Terra); il valore del guadagno di calore "dall'alto" e "dal basso" dipende dallo spessore e dalla profondità della falda acquifera. A causa di questi trasferimenti di calore, la temperatura della falda freatica rimane costante per tutta la stagione e cambia poco durante il funzionamento.

Negli impianti con scambiatori di calore verticali a terra, la situazione è diversa. Quando il calore viene rimosso, la temperatura del terreno attorno allo scambiatore di calore del terreno diminuisce. La diminuzione della temperatura è influenzata sia dalle caratteristiche progettuali dello scambiatore di calore che dalla modalità del suo funzionamento. Ad esempio, in sistemi con elevati valori di dissipazione del calore (diverse decine di watt per metro di lunghezza dello scambiatore di calore) o in sistemi con scambiatore di calore a terra posizionato in un terreno a bassa conducibilità termica (ad esempio in sabbia asciutta o ghiaia secca) , la diminuzione della temperatura sarà particolarmente evidente e può portare al congelamento della massa del suolo attorno allo scambiatore di calore del suolo.

Esperti tedeschi hanno misurato la temperatura del massiccio del suolo, in cui è disposto uno scambiatore di calore del suolo verticale con una profondità di 50 m, situato vicino a Francoforte sul Meno. Per questo sono stati perforati 9 pozzi della stessa profondità attorno al pozzo principale a una distanza di 2,5, 5 e 10 m. In tutti e dieci i pozzi sono stati installati sensori di temperatura ogni 2 m, per un totale di 240 sensori. Sulla fig. La figura 9 mostra i diagrammi che mostrano la distribuzione della temperatura nella massa del suolo attorno allo scambiatore di calore del suolo verticale all'inizio e alla fine della prima stagione di riscaldamento. Alla fine della stagione di riscaldamento è chiaramente visibile una diminuzione della temperatura della massa del suolo attorno allo scambiatore di calore. C'è un flusso di calore diretto allo scambiatore di calore dalla massa del suolo circostante, che compensa parzialmente la diminuzione della temperatura del suolo causata dalla "selezione" del calore. L'entità di questo flusso rispetto all'entità del flusso di calore dall'interno della terra in una data area (80–100 mW/mq) è stimata piuttosto elevata (diversi watt per metro quadrato).

Riso. Fig. 9. Schemi di distribuzione della temperatura nella massa del suolo attorno allo scambiatore di calore del suolo verticale all'inizio e alla fine della prima stagione di riscaldamento

Poiché gli scambiatori di calore verticali hanno iniziato a diffondersi relativamente circa 15-20 anni fa, mancano dati sperimentali in tutto il mondo ottenuti durante periodi di funzionamento a lungo termine (diverse decine di anni) di sistemi con scambiatori di calore di questo tipo. Sorge la domanda sulla stabilità di questi sistemi, sulla loro affidabilità per lunghi periodi di funzionamento. Il calore a basso potenziale della Terra è una fonte di energia rinnovabile? Qual è il periodo di “rinnovo” di questa fonte?

Quando si gestisce una scuola rurale nella regione di Yaroslavl, attrezzata sistema a pompa di calore, utilizzando uno scambiatore di calore a terra verticale, i valori medi di rimozione del calore specifico erano a livello di 120–190 W/rm. m di lunghezza dello scambiatore di calore.

Dal 1986 in Svizzera, vicino a Zurigo, è stata condotta una ricerca su un sistema con scambiatori di calore verticali a terra. Nel massiccio del terreno è stato predisposto uno scambiatore di calore verticale a terra di tipo coassiale con una profondità di 105 m, utilizzato come fonte di energia termica di bassa qualità per un impianto a pompa di calore installato in un edificio residenziale unifamiliare. Lo scambiatore di calore a terra verticale ha fornito una potenza di picco di circa 70 watt per metro di lunghezza, che ha creato un carico termico significativo sulla massa del terreno circostante. La produzione annua di energia termica è di circa 13 MWh

A una distanza di 0,5 e 1 m dal pozzo principale sono stati perforati due pozzi aggiuntivi, in cui sono stati installati sensori di temperatura a una profondità di 1, 2, 5, 10, 20, 35, 50, 65, 85 e 105 m, dopo di che i pozzi sono stati riempiti con una miscela di argilla e cemento. La temperatura è stata misurata ogni trenta minuti. Oltre alla temperatura del suolo sono stati registrati altri parametri: la velocità del liquido di raffreddamento, il consumo di energia dell'azionamento del compressore della pompa di calore, la temperatura dell'aria, ecc.

Il primo periodo di osservazione è durato dal 1986 al 1991. Le misurazioni hanno mostrato che l'influenza del calore dell'aria esterna e della radiazione solare si nota nello strato superficiale del suolo fino a una profondità di 15 M. Al di sotto di questo livello, il regime termico del suolo si forma principalmente a causa della calore dell'interno della terra. Durante i primi 2-3 anni di attività temperatura della massa terrestre, che circonda lo scambiatore di calore verticale, cala bruscamente, ma ogni anno la diminuzione della temperatura diminuisce, e dopo alcuni anni il sistema raggiunge un regime quasi costante, quando la temperatura della massa di terreno intorno allo scambiatore di calore diventa inferiore a quella iniziale di 1–2 °C.

Nell'autunno del 1996, dieci anni dopo l'inizio del funzionamento del sistema, sono state riprese le misurazioni. Queste misurazioni hanno mostrato che la temperatura del suolo non è cambiata in modo significativo. Negli anni successivi si sono registrate lievi fluttuazioni della temperatura del suolo entro 0,5 gradi C, a seconda del carico termico annuo. Pertanto, il sistema è entrato in un regime quasi stazionario dopo i primi anni di funzionamento.

Sulla base dei dati sperimentali sono stati costruiti modelli matematici dei processi in atto nel massiccio del suolo, che hanno permesso di fare una previsione a lungo termine delle variazioni della temperatura del massiccio del suolo.

I modelli matematici hanno dimostrato che la diminuzione annuale della temperatura diminuirà gradualmente e il volume della massa del suolo attorno allo scambiatore di calore, soggetto alla diminuzione della temperatura, aumenterà ogni anno. Al termine del periodo di funzionamento, inizia il processo di rigenerazione: la temperatura del terreno inizia a salire. La natura del processo di rigenerazione è simile alla natura del processo di "selezione" del calore: nei primi anni di funzionamento si verifica un forte aumento della temperatura del suolo e negli anni successivi il tasso di aumento della temperatura diminuisce. La durata del periodo di “rigenerazione” dipende dalla durata del periodo di funzionamento. Questi due periodi sono più o meno gli stessi. In questo caso il periodo di funzionamento dello scambiatore di calore a terra è stato di trent'anni e anche il periodo di "rigenerazione" è stimato in trent'anni.

Pertanto, i sistemi di riscaldamento e raffreddamento degli edifici, che utilizzano il calore di bassa qualità della Terra, sono una fonte di energia affidabile che può essere utilizzata ovunque. Questa fonte può essere utilizzata per un periodo piuttosto lungo e può essere rinnovata al termine del periodo di funzionamento.

Letteratura

1. Rybach L. Stato e prospettive delle pompe di calore geotermiche (GHP) in Europa e nel mondo; aspetti di sostenibilità dei GHP. Corso internazionale di pompe di calore geotermiche, 2002

2. Vasiliev GP, Krundyshev N.S. Scuola rurale ad alta efficienza energetica nella regione di Yaroslavl. ABOK №5, 2002

3. Sanner B. Fonti di calore geotermiche per pompe di calore (classificazione, caratteristiche, vantaggi). 2002

4. Rybach L. Stato e prospettive delle pompe di calore geotermiche (GHP) in Europa e nel mondo; aspetti di sostenibilità dei GHP. Corso internazionale di pompe di calore geotermiche, 2002

5. Gruppo di lavoro ORKUSTOFNUN, Islanda (2001): Produzione sostenibile di energia geotermica – definizione suggerita. Notizie IGA n. 43, gennaio-marzo 2001, 1-2

6. Rybach L., Sanner B. Sistemi a pompa di calore geotermici: l'esperienza europea. Toro del GeoHeat Center. 21/1, 2000

7. Risparmiare energia con le pompe di calore residenziali nei climi freddi. Maxi Brochure 08. CADDET, 1997

8. Atkinson Schaefer L. Analisi della pompa di calore ad assorbimento di pressione singola. Una dissertazione presentata alla Facoltà accademica. Georgia Institute of Technology, 2000

9. Morley T. Il motore termico invertito come mezzo per riscaldare gli edifici, The Engineer 133: 1922

10. Fearon J. La storia e lo sviluppo della pompa di calore, Refrigerazione e Condizionamento. 1978

11. Vasiliev GP Edifici ad alta efficienza energetica con sistemi di fornitura di calore a pompa di calore. Rivista ZhKH, n. 12, 2002

12. Linee guida per l'uso delle pompe di calore che utilizzano risorse energetiche secondarie e fonti di energia rinnovabili non tradizionali. Moskomarchitectura. Impresa statale unitaria "NIAC", 2001

13. Edificio residenziale ad alta efficienza energetica a Mosca. ABOK №4, 1999

14. Vasiliev GP Edificio residenziale sperimentale ad alta efficienza energetica nel microdistretto Nikulino-2. ABOK №4, 2002