В коре Земли заключено большое количество тепловой энергии.
В твёрдых породах теплопроводность является единственным механизмом теплопередачи. Поэтому при распространении теплоты через однородные материалы от мантии к поверхности Земли градиент температуры будет постоянным.
Геотермальные районы подразделяют на три класса: гипертермальные районы, для которых температурный градиент превышает 80 С/км. Эти районы расположены в пиктонической зоне вблизи границ континентальных плит;
полутермальные районы, для которых температурный градиент изменяется от 40 до 80 С/км;
нормальные районы, где температурный градиент меньше 40 °С/км. Такие районы наиболее распространены. В этих районах средний геотермальный поток составляет примерно 0,06 Вт/м2.
Грунт представляет собой тепловой аккумулятор неограниченной ёмкости. Солнечная энергия, поглощенная земной поверхностью, формирует температурный режим слоя грунта мощностью от 10 до 20 м, в зависимости от почвенно-климатических условий местности [44].
Для сбора теплоты в грунте размещают регистр труб с циркулирующим по ним теплоносителем, который отбирает теплоту, накопленную грунтом, и отводит её потребителю.
В летнее время аккумулирующие свойства используются для систем хладоснабжения зданий.
Система теплохладоснабжения эффективна при использовании теплонасосных установок. Это позволяет получить от 2,5 до 3,5 кВт полезной теплоты на 1 кВт затраченной энергии.
Система сбора низкопотенциальной теплоты грунта включает следующие элементы:
грунтовый массив участка отбора теплоты;
регистр труб грунтового теплообменника;
насос для принудительной циркуляции теплоносителя грунтового теплообменника;
участок теплотрассы, соединяющий систему теплосбора с испарителем теплонасосной системы теплохладоснабжения.
Схемы регистра труб грунтового теплообменника приведены на рис. 7.11 (по данным НИИСФ). Глубина заложения регистра труб грунтового теплообменника h и шаг между трубами S выбирают в пределах 1...2 м. Общая требуемая длина труб, м, грунтового теплообменника определяется по формуле
(7.122)
где Qo — необходимая мощность системы теплоснабжения, кВт; т — удельный теплосъем с единицы площади участка теплосбора, Вт/м11 (можно принять q г = 20...25 Вт/м2); S — шаг между трубами, м. Для грунтов небольшой теплопроводности рекомендуются большие значения глубины положения h и шага S.
Рис. 7.11. Схемы расположения регистра труб грунтового теплообменника на участке теплосбора:
а, б — при небольших мощностях системы теплохладоснабжения; в, г — при больших мощностях системы теплохладоснабжения; 1 — границы участков теплосбора; 2 — регистры труб грунтовых теплообменников; 3 — циркуляционные насосы; 4 — соединительные участки теплотрассы; 5 — отключающие вентили; 6 — магистральные трубопроводы
В качестве теплоносителя грунтового теплообменника следует применять деаэрированную воду или нетоксичный антифриз.
Поля температур в грунте при наличии в нём дискретных источников теплоты, подводимой в грунт или отводимой от него, могут быть определены по методике, изложенной в [45]. Суть метода в следующем. Грунт рассматривают как кусочно-однородную среду с плоскими границами раздела, Подобная модель учитывает неоднородность теплофизических характеристик породы по глубине. Поле температур предполагается трёхмерным. В среде, где расположен источник, оно удовлетворяет уравнению Пуассона, в остальных средах — уравнению Лапласа. В уравнение Пуассона входит единичная функция Дирака, поскольку источник теплоты точечный. Заметим, что функция Дирака σ(χ - χ , у - у0, ζ - ζθ) принимает всюду нулевые значения, за исключением точки (х0, у0, ζ0), где обращается в бесконечность.
Применив двукратное интегральное преобразование Фурье, краевые условия задачи для уравнения в частных производных заменяются более простыми краевыми задачами для дифференциальных уравнений с обыкновенными производными.
Перейдя к полярным координатам и использовав функцию Бесселя, находят решение для искомого потенциала, т.е. для температуры. Таким путём получают выражение для потенциалов всех слоев многослойной среды в грунте.
Схема установки, сооруженной в Латвии под руководством проф. Я. Аболинша, приведена на рис. 7.12.
Объектом исследования стали жилые дома на 4...6 человек. Исследования проводились в течение отопительного периода 1980-1983 гг.
Регистр полиэтиленовых труб диаметром 40 мм и общей длиной 400 м размещался в земле на глубине 0,9...1,0 м. Расстояния между трубами 1 м. Теплоносителем был антифриз.
Рис. 7.12. Принципиальная схема петротермальной системы теплоснабжения жилого дома:
7 — грунтовый теплообменник; 2 — насос; 3 — емкость для антифриза; 4 — испаритель теплонасосной установки; 5 — редукционный клапан; 6 — насос для циркуляции воды в отопительной
системе; 11,12 — теплообменники конденсатора теплонасосной установки; 13 — бак горячей волы; 14 — трубопровод системы горячего водоснабжения; 15 — потребитель горячей воды; 17 — компрессор теплонасосной установки; 16 — водопровод холодной воды; 10 — расширительный бак; 9 — трубопровод горячей воды системы отопления; 18 — бак горячей воды для отопительной системы; 8 — отопительный прибор; 7 — трубопровод обратной воды системы отопления
Исследования показали, что такая система для условий Латвии обеспечивает примерно 85 % потребности в теплоте системы отопления и горячего водоснабжения в течение отопительного периода. Тот факт, что при этом нет сажи, копоти, золы, шлака, указывает на экологически чистую в данном случае систему теплоснабжения. Она характеризуется также пожаробезопасностью так как нет открытых источников огня.
Пример оптимизации систем геотермального теплоснабжения на основе теоретико-графовых построений и эксергетического анализа приведен в работах [38, 46].
