Энергоактивные здания - Геотермальная и гидротермальная энергия

Гео- и гидротермальная энергия как источник тепло и холодоснабжения зданий [7, 8, 13—16] в настоящей работе рассматривается с позиций определения энергетических характеристик водоносных или сухих слоев грунта в районах городской, промышленной или сельской застройки в различных климатических зонах и не связывается исключительно с районами, имеющими природные выходы или легкодоступные ресурсы гидро- и геотермальной энергии повышенного потенциала.
Поставленная в настоящей работе задача заключается в оценке и использовании теплоэнергоресурсов земельных участков, прилегающих к зданиям с естественным или улучшенным энергетическим потенциалом. При этом существенное значение имеют следующие факторы:
геологическое строение и характеристика температурного режима приповерхностного слоя, прилегающего к нему массива грунта и расположенных под ним пород на глубину до 20 м от дневной поверхности;
водосодержание слоев грунта в окрестностях здания, степень извлекаемости воды и ее температурное состояние;
теплоемкость и теплопроводность пород основания под зданием и в его окрестностях, включая водоносные и водонасыщенные слои;
температурный режим и извлекаемые в экологически безвредных масштабах запасы теплоты из прилегающих к району застройки естественных или искусственных водоемов;
длительность сезона отрицательной температуры и сезонные изменения нулевой изотермы в грунте.
К основным теплофизическим параметрам почв как элемента теплоаккумулирующего массива относятся объемная теплоемкость, тепло- и температуропроводность. Объемная теплоемкость ср грунтового массива представляет произведение удельной теплоемкости с на объемную массу р:
ср=ср                                                                     (1.33)
и зависит от удельной теплоемкости твердой фазы и степени увлажнения. Удельная теплоемкость твердой фазы определяется соотношением минеральной части и химически связанной воды, а при наличии карбонатов и органических веществ — их содержанием
В грунтозаполненных массивных элементах энергоактивных зданий возможно применение теплоаккумулирующих сердечников из предварительно вы сушенного грунта. Ниже приведены значения удельной теплоемкости различных видов грунтов и почв в сухом состоянии при положительной температуре [16], кДж/(кг·К):
Песок .                                                               0.754
Супесь                                                                                                0,837
Суглинок . 0,963
Чернозем                                                                                                      1,047
Торф ...         2,177
Каштановая почва                                             0,837
В табл. 1.11 даны значения удельной теплоемкости почв в зависимости от глубины слоя.
Влияние изменения плотности и влажности грунта на удельную теплоемкость в реальных условиях негидроизолированных слоев в ограждениях и аккумуляторах показано в табл. 1.12 [16].
Таблица 1.11 Удельная теплоемкость почв, кДж/(кг- К), в зависимости от глубины слоя

Дальнейший рост теплоемкости пропорционален увеличению водосодержания грунта и достигает максимальных значений при полном водонасыщении. Влияние температуры на теплоемкость грунтового массива незначительно, и при изменении температуры в диапазоне от —20 до +60°С теплоемкость возрастает на 10—15%. Таким образом, основным инженерным средством повышения теплоемкости грунтового массива следует считать увеличение его водосодержания.

Таблица 1.12. Удельная теплоемкость грунтов в условиях естественной увлажненности и плотности

Теплопроводность грунта существенно зависит от дисперсности, плотности, влажности и в меньшей степени — от температуры. Изменение температуры в диапазоне от —50 до +50°С отражается на межпоровой конвекции и излучении и может изменить коэффициент теплопроводности на 20%, в то время как изменение влажности песка на 20% в диапазоне от 10 до 30% может увеличить теплопроводность более чем в 2 раза. Точно гак же увеличение размера зерен от пыли до крупно
зернистого песка приводит к увеличению теплопроводности в 2 раза. Влияние структурного фактора на теплопроводность объясняется важной ролью контактной составляющей передачи теплоты. Применительно к грунтовым аккумуляторам теплоты необходимо отметить, что с увеличением плотности трамбования грунта увеличивается теплопроводность массива и улучшается протекание теплообменных процессов при эксплуатации. На рис. 1.14 показаны зависимости коэффициента теплопроводности песчаных и глинистых грунтов от их влажности и плотности по данным экспериментальных исследований [16].
Для инженерных целей зависимость теплопроводности от плотности грунта может быть определена по формуле

(1.34)
где λ0 — теплопроводность грунта плотностью р0, ξ — эмпирический коэффициент.
Динамика роста коэффициента теплопроводности при увлажнении среднедисперсных и крупнодисперсных грунтов такова: вначале идет очень быстрый рост теплопроводности вследствие замещения в порах малотеплопроводного воздуха высокотеплопроводной водой, а после насыщения пор рост коэффициента теплопроводности прекращается. В слабодисперсных грунтах вначале коэффициент теплопроводности изменяется слабо, пока воды не хватает для полного обволакивания массы частиц или образования системы водяных мостиков повышенной теплопроводности, затем нарастание теплопроводности интенсифицируется (см. рис. 1. 14.). Изменение коэффициента теплопроводности по глубине слоя в массиве грунта происходит в соответствии с изменениями плотности и влажности и в интервале глубин от 0,05 до 0,5 м может возрастать в отдельных случаях в 3 раза.
Температуропроводность грунта как производная от теплопроводности по объемной теплоемкости
(1 35) зависит от изменения этих величин, как видно из рис. 1. 15 (по данным А. Ф. Чудновского).
В инженерной практике коэффициент теплопроводности грунтов можно вычислять по обобщенной эмпирической формуле [8]

Из формулы (1. 36) можно получить эмпирическую формулу для расчета коэффициента температуропроводности грунта:
(1-37)
Основные теплофизические характеристики грунтов могут для практических целей проектирования теплоаккумулирующих грунтонаполненных массивных элементов энергоактивных зданий определяться на основе известных значений плотности р и влажности W по номограммам, аналогичным номограмме Е. А. Иконниковой [12], представляющим графическую интерпретацию формул (1.36) и (1.37). Другие необходимые сведения о длительности и сезонном ходе отрицательной температуры в грунте на различных глубинах и, в частности, о появлении и изменениях нулевой изотермы и глубины промерзания (что неидентично) могут быть получены из Справочника по климату СССР [5].

Таблица 1.13.
Эмпирические коэффициенты в формулах (1.36) и (1.37) для различных типов почв

Основной характеристикой термического режима почвы на глубинах 0,2—3,2 м является средняя месячная и годовая температура почвы, полученная по данным многолетних наблюдений на метеорологических станциях по вытяжным термометрам.
Слой земли до 3,2 м включает диапазон толщин, представляющих
практический интерес для энергоактивных зданий, работающих с использованием геотермальной энергии низкого потенциала. Именно слой толщиной 1,5— 3 м по теплотехническим и экономическим соображениям может рассматриваться как естественный аккумулятор легкодоступной и имеющейся повсеместно геотермальной энергии.
В табл. 1. 14 приведены значения среднемесячной и среднегодовой температуры воздуха и почвы на глубинах 0,2; 0,4; 0,8; 1,6; 3,2 м в Петропавловске- Камчатском. Из сопоставления приведенных данных следует, что с октября по апрель, т. е. практически на протяжении всего отопительного периода, температура почв на глубине 0,8—3,2 м положительна и превышает среднюю температуру наружного воздуха. Такое же соотношение среднегодовых температур наблюдается для всех указанных глубин почвы. 

Таблица 1.14 Среднемесячные и среднегодовые температуры, °C, воздуха и почвы на различных глубинах по данным многолетних наблюдений в Петропавловске-Камчатском [5]

Отсюда вытекает, что геотермальную энергию низкого потенциала можно использовать следующим образом:
для снижения тепловых нагрузок на отопительную систему зданий, по крайней мере на протяжении части отопительного сезона, путем извлечения непреобразованной теплоты низкого потенциала из грунта и подводки ее к наружным ограждениям;
для расширенного использования геотермальной энергии низкого потенциала для тепло- и холодоснабжения зданий посредством систем с тепловым насосом.
Эффективность использования геотермальной энергии может быть повышена путем применения двухконтурных систем с расположением внешнего контура в массиве грунта и назначения режима работы, обеспечивающего отбор теплоты из массива в диапазоне температур, соответствующем попеременному замораживанию и оттаиванию примыкающей к теплообменнику массы грунта, т. е. в режиме фазовых превращений грунтовой влаги, а также применением инженерных средств, повышающих энтальпию грунта в летний период.
Аналогично решаются вопросы оценки и использования в энергоактивных зданиях низкопотенциальной теплоты гидротермальной энергии, рассматриваемой как энергия грунтовых вод в водонасыщенных слоях почвы. Эффективность использования низкопотенциальной гидротермальной энергии в гидроэнергоактивных зданиях существенно возрастает в районах расположения глубинных термальных запасов воды, вызывающих дополнительный подогрев массивов земли под зданиями.
Дополнительные сведения о максимуме и минимуме температуры, глубине промерзания, датах наступления и продолжительности безморозного периода, температурных амплитудах могут быть получены из Справочника по климату СССР [5] либо путем проведения расширенных термогидрологических исследований района предполагаемого строительства энергоактивных зданий, в которых используются рассматриваемые виды возобновляемой энергии. Результатом такого рода рекогносцировочных исследований является развернутая информация о ресурсах тепловой энергии грунтового массива обследуемого участка, включая водосодержащие слои, а также о сезонных эволюциях энтальпии и экологически безвредно извлекаемых (возобновляемых) запасах теплоты или холода.