Закопанная труба в землю позволяет экономить на обогреве и охлаждении дома
Поверхностный слой почвы Земли — это естественный тепловой аккумулятор. Главный источник тепловой энергии, поступающей в верхние слои Земли — солнечная радиация. На глубине около 3 м и более (ниже уровня промерзания) температура почвы в течение года практически не меняется и примерно равна среднегодовой температуре наружного воздуха. На глубине 1.5-3.2 м зимой температура составляет от +5 до + 7°С, а летом от +10 до + 12°С. Этим теплом можно зимой не допустить замерзания дома, а летом не дать ему перегреться выше 18-20°С.
Самым простым способом использования тепла земли является использование почвенного теплообменника (ПТО). Под землей, ниже уровня промерзания грунта, укладывается система воздуховодов, которые выполняют функцию теплообменника между землей и воздухом, который проходит по этих воздуховодах. Зимой входящий холодный воздух, который поступает в дом и проходит по трубам — нагревается, а летом — охлаждается. При рациональном размещении воздуховодов можно отбирать из почвы значительное количество тепловой энергии с небольшими затратами электроэнергии.
Можно использовать теплообменник «труба в трубе». Внутренние воздуховоды из нержавеющей стали выступают здесь в роли рекуператоров.
Охлаждение в летний период
В теплое время года грунтовый теплообменник обеспечивает охлаждение приточного воздуха. Наружный воздух поступает через воздухозаборное устройство в грунтовый теплообменник, где охлаждается за счет грунта. Затем охлажденный воздух подается воздуховодами в приточно-вытяжную установку, в которой на летний период вместо рекуператора установлена летняя вставка. Благодаря такому решению, происходит снижение температуры в помещениях, улучшается микроклимат в доме, снижаются затраты электроэнергии на кондиционирование.
Работа в межсезонье
Когда разница между температурой наружного и внутреннего воздуха небольшая, подачу свежего воздуха можно осуществлять через приточную решетку, размещенную на стене дома в надземной части. В тот период, когда разница существенная, подачу свежего воздуха можно осуществлять через ПТО, обеспечивая подогрев / охлаждение приточного воздуха.
Экономия в зимний период
В холодное время года наружный воздух поступает через воздухозаборное устройство в ПТО, где прогревается и затем поступает в приточно-вытяжную установку для нагрева в рекуператоре. Предварительный нагрев воздуха в ПТО снижает вероятность обледенения рекуператора приточно-вытяжной установки, увеличивая эффективное время использования рекуперации и минимизирует затраты на дополнительный нагрев воздуха в водяном / электрическом нагревателе.
Можно предварительно подсчитать затраты на нагрев воздуха в зимний период для помещения, куда поступает воздух при нормативе 300 м 3 /час. В зимний период среднесуточная температура в течение 80 дней составляет -5°С — ее нужно подогреть до + 20°С. Для нагрева такого количества воздуха нужно затрачивать 2.55 кВт в час (при отсутствии системы утилизации тепла). При использовании геотермальной системы происходит подогрев наружного воздуха до +5 °С и тогда на догрев входящего воздуха к комфортному уходит 1.02 кВт. Еще лучше ситуация при использовании рекуперации — надо затрачивать только 0.714 кВт. За период 80 дней будет потрачено соответственно 2448 кВт*ч тепловой энергии, а геотермальные системы снизят затраты на 1175 или 685 кВт*ч.
В межсезонье в течение 180 дней среднесуточная температура составляет + 5°С — ее нужно подогреть до + 20°С. Плановые расходы составляют 3305 кВт*ч, а геотермальные системы снизят затраты на 1322 или 1102 кВт*ч.
В летний период в течение 60 дней среднесуточная температура около + 20°С, но в течение 8 часов она находится в пределах + 26°С. Затраты для охлаждения составят 206 кВт*ч, а геотермальная система снизит затраты на 137 кВт*ч.
На протяжении года работу такой геотермальной системы оценивают с помощью коэффициента — SPF (фактор сезонной мощности), который определяется как отношение количества полученной тепловой энергии к количеству потребленной электрической с учетом сезонных изменений температуры воздуха/грунта.
Для получения от грунта 2634 кВт*ч тепловой мощности в год вентиляционной установкой тратится 635 кВт*ч электроэнергии. SPF = 2634/635 = 4.14.
Глубина промерзания грунта
Глубина промерзания грунта – это максимальная величина, при которой температура почвы опускается до 0 градусов в сезон низких температур. Почвы, которые имеют отрицательные или нулевые температуры, называют мерзлым грунтом. Существуют районы, в которых в весеннее время не происходит оттаивания почв. Их относят к вечномерзлым грунтам. При измерении удельного сопротивления грунта, его показатели достигают от 2000 до 4000 Ом*м.
Грунт – это горные породы, почвы, антропогенные организации, представляющие собой сложную геологическую макросистему.
Основными причинами промерзания грунта являются влажность и понижение температуры окружающей среды. Объем воды при замерзании увеличивается примерно на 10%. Это приводит к поднятию грунтов. Количество образовавшегося льда и степень поднятия грунта зависят от температурного режима и уровня промерзания почвы. В холодный период времени года, земля вытесняет из себя фундамент, систему заземления и другие инженерные коммуникации.
Нормативная глубина промерзания грунта – это глубина, которая является средней из рекордных показателей сезонных промерзаний грунтов на открытой и не заснеженной местности. Обычно, расчеты нормативной глубины промерзания грунта основаны на наблюдениях за показателями десятилетнего срока промерзания земли на определенной территории.
Снеговой, ледяной покров, плотный растительный слой или слой из опавшей листвы, не принимают во внимание в методике расчетов.
Глубину промерзания грунта необходимо учитывать при выборе типов и размеров заземление частного дома. Влияние глубины промерзания грунтов на заземлитель негативно сказывается на его эффективности. При монтаже классического треугольника заземления, глубже чем на три метра забить уголок в землю не представляется возможным. Из этого следует, что в холодное время года из-за промерзания грунта, большая часть длины металлического уголка не способна выполнять свою функцию. Выполнив измерение сопротивления заземления, можно убедиться, что оно не соответствует нормам. Сопротивление выросло в десятки и сотни раз. Решением такой задачи является применение модульно-штыревого заземления, которое монтируют в грунт на глубину до 30 метров в один очаг. Тем самым, исключают влияние промерзания грунтов на функциональность вашей системы заземления. В среднем для частных домовладений достаточно комплекта от 6 до 12 метров. Для организации монтажа функционального заземления FE (медицинского, информационного, лабораторного и иного оборудования), глубинное заземление выступает в качестве единственного верного решения. В вечномерзлых и высокоомных грунтах применяют специальное электролитическое заземление.
Нормативная глубина промерзания грунта часто отличается от реальной глубины. Происходит это от того, что в вычислениях не принимают во внимание наличие снега на местности, и как следствие, низкую влажность почвы. Снег со льдом является хорошим источником термоизоляции. Чем выше снежный покров на территории, тем меньше глубина промерзания грунта. Следовательно, при постройке жилого помещения, которое отапливается в зимний период, глубина промерзания грунта значительно уменьшится. При строительстве отапливаемого помещения, уровень реального промерзания почвы меньше нормативного на 20-30%. Из этого следует, что существует возможность спроектировать и смонтировать заземление в подвалах домов и зданий, но только при отсутствии системы внешней молниезащиты.
В зависимости от регионов Российской Федерации, показания глубин промерзания грунтов будут различными. Они зависят от отрицательных температур и видов грунтов:
- Песчаный грунт легок в обработке, хорош в уплотнении, способен вынести большую нагрузку. Он обладает хорошей водопроницаемостью, за счет чего мало промерзает и не подвержен сезонному пучению.
- Суглинистый грунт и супесь – это смесь песка и глины. Если в суглинке количество глины находится в пределах 10-30%, то в супеси – до 10%. Вести строительство на этих грунтах непросто. За счет своей «плавучести», они хорошо справляются с любыми движениями грунтов. Супесь содержит меньше влаги, следовательно, меньше подвержена пучению. Суглинок может содержать больше воды и больше, чем супесь, подвержен пучению.
Скалистые грунты представляют собой горную породу, которая находится на поверхности или под небольшим слоем грунта. Такие грунты не склонны к промерзанию в зимний период и неспособны впитывать влагу.
Для Ленинградской области приняты следующие значения глубины промерзания грунта:
| Грунт | Нормативная глубина промерзания, м |
| Суглинки, глины | 1,16 |
| Пылеватые и мелкие пески | 1,41 |
| Пески средние и крупные | 1,51 |
| Крупнообломочные грунты | 1,71 |
Таблица глубины промерзания грунта России
| Город | Глина, суглинок, см | Песок, супесь, см |
| Архангельск | 160 | 176 |
| Астрахань | 80 | 88 |
| Брянск | 100 | 110 |
| Волгоград | 100 | 110 |
| Вологда | 140 | 154 |
| Воркута | 240 | 264 |
| Воронеж | 120 | 132 |
| Екатеринбург | 180 | 198 |
| Ижевск | 160 | 176 |
| Казань | 160 | 176 |
| Кемерово | 200 | 220 |
| Киров | 160 | 176 |
| Котлас | 160 | 176 |
| Курск | 100 | 110 |
| Липецк | 120 | 132 |
| Магнитогорск | 180 | 198 |
| Москва | 120 | 132 |
| Набережные Челны | 160 | 176 |
| Нальчик | 60 | 66 |
| Нарьян Мар | 240 | 264 |
| Нижневартовск | 240 | 264 |
| Нижний Новгород | 140 | 154 |
| Новокузнецк | 200 | 220 |
| Новосибирск | 220 | 242 |
| Омск | 200 | 220 |
| Орел | 100 | 110 |
| Оренбург | 160 | 176 |
| Орск | 180 | 198 |
| Пенза | 140 | 154 |
| Пермь | 180 | 198 |
| Псков | 80 | 88 |
| Ростов-на-Дону | 80 | 88 |
| Рязань | 140 | 154 |
| Салехард | 240 | 264 |
| Самара | 160 | 176 |
| Санкт-Петербург | 120 | 132 |
| Саранск | 140 | 154 |
| Саратов | 140 | 154 |
| Серов | 200 | 220 |
| Смоленск | 100 | 110 |
| Ставрополь | 60 | 66 |
| Сургут | 240 | 264 |
| Сыктывкар | 180 | 198 |
| Тверь | 120 | 132 |
| Тобольск | 200 | 220 |
| Томск | 220 | 242 |
| Тюмень | 180 | 198 |
| Уфа | 180 | 198 |
| Ухта | 200 | 220 |
| Челябинск | 180 | 198 |
| Элиста | 80 | 88 |
| Ярославль | 140 | 154 |
Температура грунта на глубине
Таблица температуры грунта для различных городов стран СНГ. Используя таблицу Вы можете рассчитать какой глубины должен быть фундамент. Фундамент рекомендуется закладывать ниже отметки промерзания грунта.
Например для города Москва глубина фундамента гаража может быть около 1 метра, так как зимой на отметки 0,8 метра температура 1°С.
Важно: В таблице приведена средняя температура, которая может отличатся от реальной. Температура промерзания грунта также зависит от типа грунта, глиняный грунт промерзает меньше чем грунт из легких песков, а грунт из крупных песков и крупнообломочный грунт промерзает сильнее. В случае необходимости обратитесь к справочникам и нормативным документам.
Записки проектировщика
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.