CC BY
2
УДК 556.506; 620.92; 620.987 https://doi.Org/10.35546/kntu2078-4481.2023.3.2
О. В. ЗУР'ЯН
кандидат техшчних наук, старший науковий сшвроб^ник вщдшу геотермально! енергетики 1нститут вщновлювано! енергетики Нацюнально! академй наук Укра!ни
ORCID: 0000-0002-2391-1611
ОБГРУНТУВАННЯ ДЕВ1АЦ11 ТЕМПЕРАТУРИ ТЕПЛОНОС1Я НА ВИХОД1 З СВЕРДЛОВИНИ ГЕОТЕРМАЛЬНО! ТЕПЛОНАСОСНО1 СИСТЕМИ ОСОБЛИВ1СТЮ Г1ДРОГЕОТЕРМ1ЧНОГО РЕЖИМУ ЗОВН1ШНЬО1 ОБОЛОНКИ ЗЕМЛ1
В po6omi наведено результати теоретичних та експериментальних до^джень щодо обтрунтування мкця розташування свердловин гiдротермальноi теплонасосно'1' системи для стабшьного та ефективного отриман-ня низькопотенцшно'г' геотермально'1' енерги. Доведено, що найбшьш ефективними е теплонасоснi системи як використовують теплоту трунту або трунтових вод та мають теплоо6мiнники та свердловини встановленi на глибину нижче нейтрального шару. Наведено ендогеннi та екзогент фактори, що впливають на глибину заля-гання нейтрального шару. Визначено, що екзогеннi фактори в порiвняннi з ендогенними мають бшьший вплив на формування термiчного режиму гiдросфери. Наведено загальш закономiрностi змти термiчного режиму гiдро-сфери що перебувае пiд впливом екзогенних факторiв. Обтрунтовано, що в залежностi вiд гiдрогеологiчнихумов, зони розташування свердловин геотермально'1' теплонасосно'1' системи, нижче теоретично визначено'1' глибини нейтрального шару можуть повторно утворюватися зони з суттевою девiацiею температури трунту. Визна-чет критери що визначають тип гiдрогеотермiчного режиму та наведено класифiкацiю типiв гiдрогеотермiч-ного режиму.
Представлено розроблену i сконструйовану в Iнститутi вiдновлюваноi енергетики НАН Украши експеримен-тальну теплонасосну систему, яка складаеться з теплового насосу та двох свердловин, через як забезпечуеться циркулящя води вiд пiдземного горизонту до теплового насосу. В свердловинi та на поверхнi встановленi темпе-ратурн датчики. Розроблено методику проведення до^джень.
Наведено результати експериментальних до^джень на пiдставi яких встановлено, що за рахунок особливих геоморфологiчних умов дшянки розташування системи, температура води в водоносному горизонтi (на гли6инi 50 м) залежить вiд температури повiтря та iнтенсивностi сонячно'1' тсоляци протягом дня. Доведено, що мiж водоносним горизонтом розкритим свердловинами та розташованими рядом ставками в балках е гiдравлiчний зв'язок, а незначна вiдстань мiж ними та особливий рельеф мiсцевостi впливають на змту температури води в свердловин глибиною 50 м.
Викладено основн закономiрностi впливу поверхневих гармонтних змт температури на режим температури зовтшньог оболонки Землi. Наведена класифжащя вякш враховуютьсяусi можливi основн типи гiдрогеотер-мiчного режиму.
Отриман в ходi до^дження результати мають важливе наукове i прикладне значення при проектуванн геотермальних та гiдротермальних теплонасосних систем. Крiм того мають перспективу подальшi до^джен-ня можливостей та ефективностi використання водоносного горизонту як природного акумулятора теплоти для стабшьно'г' генераци енерги вiд вiдновлюваних джерел незалежно вiд xniматичних умов i пори року.
Ключовi слова: вiдновлюванi джерела енерги, геотермальна енергiя, гiдротермальна енергiя водоносний горизонт, нейтральний шар, тепловий насос, водоза6iр, теплота трунту, Tрунтовi води.
O. V. ZURIAN
Candidate of Engineering Sciences, Senior Research at the Department of Geothermal Energy Institute of Renewable Energy of the National Academy of Sciences of Ukraine ORCID: 0000-0002-2391-1611
JUSTIFICATION OF THE TEMPERATURE DEVIATION OF THE HEAT CARRIER AT THE OUTLET OF THE WELL OF THE GEOTHERMAL HEAT PUMP SYSTEM AS A FEATURE OF THE HYDROGEOTHERMAL REGIME OF THE EARTH'S OUTER SHELL
The paper presents the results of theoretical and experimental research on the justification of the location of the wells of the hydrothermal heat pump system for stable and efficient production of low-potential geothermal energy. It has been proven that the most effective are heat pump systems that use the heat of the soil or groundwater and have heat exchangers and wells installed at a depth below the neutral layer. Endogenous and exogenous factors affecting the depth
of the neutral layer are given. It was determined that exogenous factors compared to endogenous factors have a greater influence on the formation of the thermal regime of the hydrosphere.
The general regularities of changes in the thermal regime of the hydrosphere under the influence of exogenous factors are given. It is substantiated that, depending on the hydrogeological conditions, the zones where the wells of the geothermal pump system are located, below the theoretically determined depth of the neutral layer, zones with a significant deviation of the soil temperature may re-form. The criteria determining the type of hydrogeothermal regime are determined and the classification of types of hydrogeothermal regime is given.
An experimental heat pump system developed and constructed at the Institute of Renewable Energy of the National Academy of Sciences of Ukraine is presented, which consists of a heat pump and two wells through which water circulates from the underground horizon to the heat pump. Temperature sensors are installed in the well and on the surface. Research methods have been developed.
The results of experimental studies are presented, based on which it was established that due to the special geomorphological conditions of the location of the system, the water temperature in the aquifer (at a depth of 50 m) depends on the air temperature and the intensity of solar insolation during the day. It has been proven that there is a hydraulic connection between the aquifer opened by the wells and the ponds located in a row in the beams, and the small distance between them and the special topography of the area affect the change in the temperature of the water in the well 50 m deep.
The main regularities of the effect of surface harmonic temperature changes on the temperature regime of the Earth's outer shell are outlined. The classification is given, which takes into account all possible main types of hydrogeothermal regime.
The results obtained during the research have important scientific and applied significance in the design of geothermal and hydrothermal heat pump systems. In addition, further research into the possibilities and effectiveness of using the aquifer as a natural heat accumulator for stable energy generation from renewable sources regardless of climatic conditions and seasons is promising.
Key words: renewable energy sources, geothermal energy, hydrothermal energy aquifer, neutral layer, heat pump, water intake, soil heat, groundwater.
Постановка проблеми
Питання переходу на безвуглецево! технологи та вщновлювану енергетику е актуальним у зв'язку 3i зростан-ням светового споживання енерги та зростанням виквдв парникових газiв, особливо вуглекислого газу. За даними Всесвпньо! оргашзаци охорони природи (World Wildlife Fund, (WWF)), енергетика е найбтшим джерелом вики-дiв парникових г^в, що сприяе глобальному потеплшню i змш ммату на Землг Переход на безвуглецевi технологи та вщновлювану енергетику мае на меп зменшити залежшсть вщ викопного палива та зменшити викиди парникових газiв, що допоможе зберегти природш ресурси та зменшити вплив на довшлля. Крiм того, переход на ввдновлювану енергетику може зменшити залежшсть кра!н ввд iмпорту нафти та газу та сприяти розвитку нових технологш та риншв. Таким чином, переход на безвуглецевi технологи та вщновлювану енергетику е необхщним кроком для збереження довшлля та забезпечення сталого розвитку людства.
Ще одшею важливою умовою застосування ввдновлювальних джерел енерги, яка набула значения у наслщок военно! агреси роси проти Укра!ни, стала актуальшсть питання переходу на децентралiзованi системи опалення та електропостачання. Для окремих поселень, малих мютечок, та окремих райошв великих мют оптимальним у цьому випадку е застосування систем опалення та кондицшвання з використанням теплових насоав типу вода-вода, або вода-повпря. В якосп вщновлюваного джерела енерги в яких економiчно та конструктивно доцшьно використовувати теплову низько потенцшну енергш води з свердловини якою розкрито водоносний горизонт.
Вщомо, що ефектившсть та стабшьшсть роботи теплового насосу залежить вщ температури та дебиу тепло-носiя на входi до його випарника. Тому актуальною задачею на стади проектування даних систем е прогнозування можливих змiн показнишв даних параметрiв протягом прогнозованого часу роботи системи.
AH^i3 останшх дослщжень i публiкацiй
У науковiй лiтературi описанi приклади устшно! реалiзацií геотермальних теплонасосних систем у будiвлях рiзного типу та масштабу. Наприклад, в робот [1, 2] автори виконали аналiз геотермального потенцiалу Литви та шших держав з урахуванням щшьно! забудови урбанiзованих територiй та можливють використання геотермальних теплонасосних систем для опалення та охолодження публiчних будiвель. Перспективи застосування теплових насоав в Украíнi дослiдженi в роботах [2, 3, 4]. Аналiз пдрогеолопчних i геотермiчних характеристик геотермальних об'екпв Украши виконано в робот [5]. Проводяться активнi науково-дослвдницьш роботи з вивчення фiзичних особливостей та енергетично! ефективностi акумулювання тепла та холоду шляхом використання води пвдземних горизонпв [6, 7]. Разом з тим, зважаючи на те, що у теплонасоснш системi що в якосл теплоносiя використовуе воду з водоносного горизонту розкритого свердловиною в якосп колектора для забору низькопотенцшно! теплово! енергií виступае природне середовище (водоносний горизонт), а не техшчний при-стрiй (теплообмiнник), актуальними залишаються питання досл1дження надiйностi та стабшьносп отримання необхiдних параметрiв температури та дебпу для ефективно! роботи тепло насосно! системи в залежносп вiд
мюця ii встановлення, та розробки науково-техшчних засад проектування даних систем в цшому. З практично! точки зору науковий iнтерес викликають дослiдження що враховують реальнi умови розмiщення даних систем. Тому виникла потреба продовження проведених в [8, 9] дослвджень, що зроблено у данш статтi.
Формулювання мети дослiдження Тепловий режим поверхн Землi, грунту та земно! кори обумовлений сумарною сонячною радiацieю та теплоти висхщного до поверхнi грунту iз глибин Землi, визначае температуру пвдземних вод, яка коливаеться в широких межах ввд негативно! (переохолоджет солонi води до перевищуючо! 100 °С (перегрiтi води гейзерiв). Води м най-нижчими температурами зустрiчаються в областi вiчно! мерзлоти, з найбшьш високими - в обласп молодо! вулка-нiчно! дiяльностi i районах де пiдземнi води по тектошчним розломам i трiщинам шдшмаються з великих глибин земно! кори. У свою чергу пiдземнi води сам е одним iз важливих факторiв теплообмiну, що протiкае в земнш корi, оск1льки термiчнi властивосп гiрських порвд залежать ввд вологосп та руху в них рiзного роду рiдин.
Рух води в земнш кор^ гiрських породах, що !! складають, як ведомо, може ввдбуватися шд впливом пдрав-лiчного градiента (ламiнарна i турбулентна фшьтращя), пвд дiею капiлярних сил, осмосу, розчинених газiв, температурного градiента, конвекцп i т.д. Причому часто в теплообмш беруть участь не один а дешлька видiв руху вологи одночасно. Тому питання формування температури пвдземних вод е ниш ще недостатньо ввдомим, що потребуе подальшого вивчення при гiдрогеологiчних та теплофiзичних дослiдженнях рiзних видiв тдземних вод земно! кори.
Метою роботи е шляхом аналiзу експериментально отриманих даних добово! змiни температури води в сверд-ловинi глибиною 50 м, та теоретичного обгрунтування можливосп девiацi! температури грунту нижче нейтрального шару тд впливом як ендогенних так i екзогенних факторiв, визначити можливi змiни теплотехнiчних параме-трiв свердловини, як1 можуть негативно впливати на ефектившсть роботи геотермально! теплонасосно! системи.
Виклад основного матер1алу дослiдження Вiдповiдно до поставлено! мети дослщження були вирiшенi так1 завдання: по-перше - проведено аналiз експериментально отриманих даних температури води у водоносному горизонп розкритого свердловинами, що входить до складу геотермально! теплонасосно! системи 1нституту вщновлювано! енергетики НАН Укра!ни; по-друге, обгрунтовано, що екзогенш фактори в порiвняннi з ендогенними мають бiльший вплив на формування термiчного режиму пдросфери; по-трете обгрунтовано, що девiацiя температури теплонос1я на виходi з свердловини залежить вiд типу гiдрогеотермiчного режиму, та наведено класифшацш, яка враховуе усi можливi основнi типи пдрогеолопчного режиму; по-четверте, визначено можливi змши гiдрологiчних параметрiв свердловини, якi можуть негативно впливати на ефектившсть роботи геотермально! теплонасосно! системи
Експериментальна геотермальна теплонасосна система 1нституту ввдновлювано! енергетики НАН Укра!ни (типу ГЦС - геотермальна циркуляцшна система), е теплообмшним пристроем, який складаеться iз двох сверд-ловин (№ 1 та № 8), поеднаних трубопроводами для циркуляци пiдземних вод м1ж водоносним горизонтом та будiвлею 1нституту де встановлено тепловий насос (Рис. 1). Детальний опис системи та геоморфолопчш й пдро-геологiчнi особливостi мюця Г! розташування наведено в робот [9].
Рис. 1. Принципова схема експериментальноТ геотермальноТ теплонасосноТ системи: 1 - водоносний горизонт; 2 - насос свердловинний; 3 - бак-акумулятор; 4 - випарник теплового насосу; 5 - компресор теплового насосу; 6 - терморегулюючий вентиль теплового насосу; 7 - конденсатор теплового насосу; 8 - фанкойл; 9 - циркуляцшний насос; 10 - затрна арматура
Для вимiрювань температури в контрольних точках використовувалися температурш датчики (термоперет-ворювачi опору) ТСП-204. Термоперетворювачi опору ТСП-204 внесет до Державного реестру засобiв вимiрю-вально! технiки Украши, за номером У246-07. Робочий дiапазон вимiрюваних температур ввд - 40 до + 270 °С, показник теплово! шерцп не бiльше 6 сек. Датчики були встановлеш в свердловину на глибину 29 м, 34 м, 39 м, 42 м (датчик на глибиш 42 м при статичному рiвнi води в свердловиш 40 м, знаходиться у водi нижче дзеркала води на 2 м). Крiм того системою мониторингу температури виконувалася вимiрювання температури повиря датчиком розташованим на висоп 2 м над гирлом свердловини.
Для прийому, перетворення сигналiв в значения температури та !х ввдображення, застосовувався вимiрювач восьмиканальний з блоком розширення аналогових входiв И8 8ТС/10-RS485-БП-12-ИПК-Щ (Рис. 2).
3 4
Рис. 2. Вимпркша. 11>ис обладнання, яке використовувалося для проведення експерименту: 1 - температурш датчики (термоперетворювачi опору) ТСП-204; 2 - вимiрювач восьмиканальний з блоком розширення аналогових входiв 18 8ТС/10-RS485-БП-12-IПК-Щ; 3 - iндикатор логер 116П RS 485/4З-USB-GSM-IПR-Д; 4 - програмне забезпечення (система збору даних) РегМш
З метою вiзуалiзацu даних в режимi реального часу, записи !х в архiв та вщображення даних у виглядi таблиць або графЫв, використовувався iндикатор логер И16П RS 485/4З-USBGSM-ИMR-Д i програмне забезпечення (система збору даних) РегМiк.
Аналiз накопичених спостережень даних температури води в свердловиш, якою розкрито водоносний горизонт, виявив тенденцш вщхилення вiд лiнiйного тренда температур води в свердловиш [9], що дозволяе припус-тити наявнiсть рiчноl компоненти в варiацiях цих характеристик, а прямий кореляцшний зв'язок м1ж варiацiями температур повiтря i води в свердловиш сввдчать про вплив сезонних атмосферних змш температур на глибинах залягання водоносного горизонту [10]. Окремi результати вимiрювання температур в свердловини та температури води водоносного горизонту наведеш на рис. 3.
На графшу (рис. 3) чiтко видно прямий кореляцшний зв'язок м1ж варiацiями температур повiтря i води в свердловиш. При чому треба зазначити, що експеримент однозначно показуе, що максимум температури води в свердловиш фактично припадае на мшмум температури повиря, це сввдчить наявнiсть певно! затримки в передачi теплоти ввд джерела до мюця встановлення датчика. А подальше проведення дослвджень температурного режиму на свердловинах, що знаходяться поблизу теоретично можуть показати хвилеподiбе розповсюдження теплоти з зсувом по фазi максимумiв показнишв температури води у свердловинi в залежносп вiд мiсця розташуваиия джерела живлення водоносного горизонту який розкрито даною свердловиною. В той же час вщсутшсть на
даному пром1жку часу кореляцшного зв'язка температури в контрольних точках м1ж трубного простору з температурою повиря шдтверджуе ствердження, що теплота розповсюджуеться з водою швидше, чим в водотривкому шар1, що оточуе водоносний горизонт.
11111—г—г-
1111—г-
ля- мп^олтй^вК^ЛП^-мим»
5« 5 й 5 8 8 5 ? ^ й ?, : « 2
Л Г) О о
в^к^^юв«.«^.»»"» — л — ^ ** * Й 2 к 8 " в
/Ч. О л* '-1 Г Г гл г. о г., © N л» «Г> А-« О М Г-1 л« А« А. О «Ч. А. С>
^ я £ Р. £ 5 5 £ 8 5 в я £ я £ я яя я 5
вк вкк вв». ^О^ кС в О к О О к N. о ч к О к к в в к В к О к О
~ — - ^ у. о ^ о э ^ 9_о<^г,ооаГ.оо.^ооеоо„_оо в о- о г„ » с
_ £ - —1 -» --»
I » О <4 "
о е> «
' 8 « '
— ~ — — — Ь. В «I 0 П ■ I
— - ^ — - - N N I
Я й ™ й « "
X у» 8 ^ * в
~ с " " я а
Г> о г>
N в М N С N
О _ О 9 д О
лв5э 8
имхушгрч на г лис*»« и, тсмпгритр! и» глшип ДУ1- — тгмиуиуу на тшф«г>ул «а гднопм £4 и. — тетрагон поляре С и им
Рис. 3. Вiзуальне вiдображення на екраш монiтору графика залежност температур вщ часу в контрольних точках свердловини системою мошторингу геотермальноТ теплонасосноТ системи 1ВЕ НАНУ: 1 - температура повиря; 2, 3, 4 - температури в свердловиш на глибиш 39, 34 та 29 м; 5 - температура в свердловиш на глибиш 42 м (при статичному рiвнi води в свердловиш 40 м, знаходиться у водi нижче дзеркала води на 2 м); 6 - легенда системи мошторингу
Теоретично можна припустити, що фактичш значения температури можуть бути не точними, разом з тим важ-ливим е що сама тенденшя змш температури зберпаеться 1 повторюеться при багаторазових експериментальних дослвдженнях з використанням р1зних прилащв вим1рювання та контролер1в для штерпретацп, в1зуал1заци та передач! даних що при цьому були використаш Виникае питания необхвдносп анал1тичного подходу, як до штерпретацп отриманих даних, так 1 !х обгрунтування.
Для перев1рки отриманих результапв та визначення змши значень температури та води нижче нейтрального шару температур було використано математичний апарат викладений в робот [11] та систематизовано законом1р-носп формування пдрогеотерм!чного режиму в простор! та час1.
В1домо, що терм1чний режим г1дрогеосфери знаходиться пвд переважним впливом екзогенних фактор1в, роль яких у терм1чному режим1 значно зростае у зв'язку з едшстю глобальних процес1в теплообм1ну з кругооб1гом води в природ1. Ввдомий вплив швидкоперюдичних кл1матичних коливань (добових, р1чних) на - температурний режим земно! кори, а також вщкриття багатор1чних та багатов1кових кл1матичних зм1н, що викликають перю-дичне 1снування багатор1чно! мерзлоти на Земл1, послужили основою для розробки теор1! г1дрогеотерм1чного режиму з урахуванням впливу на температурний режим глибоких надр Земл1 Приплив позаземно! енерг1! при-близно на чотири порядки вище теплового потоку з надр. Основним джерелом позаземно! енергп е тепло Сонця.
Зважаючи на те, що величина припливу рад1ац1йного тепла до Земл1 змшюеться в час1, зм1нюеться 1 температура зовшшньо! оболонки Земл1. Вплив поверхневих гармоншних зм1н температури на режим температури зовшшньо! оболонки Земл1 п1дпорядковуеться наступним основним законом1рностям.
1. Перюд коливань температур (добовий, р1чний тощо) залишаеться без зм1н на р1зних глибинах.
2. Ампл1туди температур зменшуються в геометричн1й прогрей! з1 збшьшенням глибини а арифметичн1й (перший закон Фур'е). Амплпуда температури зменшуеться з глибиною за експоненц1йним законом:
Аг = 2Ate
(1)
де К - коефщент загасання температурно! хвилг (К1) - в умовах молекулярного теплообм1ну; К2 - в умовах шф1льтрацп; Д^ - зм1на температури на глибиш х; Д/ - амплпуда температури на поверхш Земл1.
3. 1нтенсивн1сть загасання коливань температури 1з глибиною зб1льшуеться 1з зменшенням пер1оду коливань. При цьому настання екстремальних значень температури на глибиш по вщношенню до цих значень на поверхш Земл1 зап1знюеться на час, пропорцшне глибин1 1 кореню квадратному з пер1оду (другий закон Фур'е).
4. Ввдношення глибин загасання вщповвдних температурних амплпуд р!зних перюд!в дор1внюе кореню квадратному з вщношення перюд!в цих коливань (третш, закон Фур'е).
Анал1з температурного режиму верхшх шар1в земно! кори - комплексне завдання 1 виршення И неможлива без анал1зу законом!рностей режиму температури прських порщ 1 пвдземних вод, що насичують !х у сукупносп, оск1льки передача тепла здшснюеться в надрах в основному двома шляхами - теплопровщшстю та конвекщею. Молекулярна теплопровщшсть мае виршальне значения в тому випадку, коли в породах немае помтних перемь щень вологи, що характерно для щ1льних водостшких порщ (глини, важш суглинки, щшьш кристал!чш породи). За наявност! рухомих тдземних вод, що мае м1сце в добре проникних породах, представлених шсками, трщину-ватими вапняками, шсковиками, виршальне значення в передач! тепла набувають конвекцшш процеси, роль яких зростае з! зростанням швидкост! ф!льтрац!!.
У зв'язку з цим в даний час типи пдрогеотерм!чного режиму можна класиф!кувати, за двома ознаками - за глибиною загасання фактичних р!чних амплпуд температур, а також характером загасання р!чно! температурно! хвил!. В обох випадках можна вид!лити два класи. У першому - закрит! та ввдкрип системи, а у другому - сис-теми з експоненцшним та !нверс!йним загасанням температурно! хвил!.
З урахуванням обох ознак (глибини та характеру загасання температурно! хвил!) складено класифтацш, в як!й враховуються вс! можлив! основн! типи пдрогеотерм!чного режиму (рис. 1) [11].
Експоненцшний тип пдрогеотерм!чного режиму - це режим, при якому зм!на температури прських пор!д ! п!дземних вод, що !х насичують, описуеться першим законом Фур'е (амплпуди температури зменшуються в гео-метричн!й прогрес!! при збшьшенш глибини в арифметичн!й прогреси). Такий тип режиму може формуватися як за умов молекулярного теплообмшу, ! при молекулярно-конвективному теплообм!н! за наявносп !нф!льтрац!!. Р!зниця полягае лише в тому, що в першому випадку потужшсть шару фактичних р!чних змш температури визна-чаеться теплоф!зичними властивостями г!рських порвд ! збтаеться з глибиною залягання нейтрального шару (закритий тип пдрогеотерм!чного режиму), а в другому - швидшстю шфшьтраци. У зв'язку з чим потужшсть шару змшних температур завжди перевищуе глибину залягання нейтрального шару (ввдкритий тип пдрогеотер-м!чиого режиму). У першому випадку ми маемо справу з експоненцшно-закритим типом пдрогеотерм!чиого режиму, а в другому - з експоненцшно-вадкритим.
а б в г
Рис. 4. Основш типи гiдрогеотермiчного режиму: а - експоненцшно-закритий; б - експоненщйно-ввдкритий; в - шверсшно закритий; г - шверсшно-ввдкритий [11]
Експоненцшно-закритий тип пдрогеотерм!чного режиму, спостер!гаеться на дшянках, складених щ!льними водотривкими породами (глини), в яких шдземш води присутш головним чином у зв'язаному стан! та рух !х вкрай уповшьнено. Тому температурний режим у районах, складених водотривкими породами, визначаеться в основному !хньою молекулярною теплопровщшстю. Цей тип г!дрогеотерм!чного режиму мае спостериатися у вну-тр!шньоконтинентальних районах, складених потужними товщами водост!йких порщ у раз! неглибоко! ерозшно! розчленованосп. У таких районах температура порвд нижче за «нейтральний шар» протягом року в!др!зняеться стаб!льн!стю.
Розпод!л температури на будь-якш глибин! та на будь-який момент часу з урахуванням поверхневих гармонш-них коливань температури визначаеться р!внянням Фур'е:
^ = tнс + Ыг 1 sin
л^
(2)
де ^ - температура на глибиш х, 0С; ^с - температура «нейтрального шару», оС, т1 - час шсля «нульового часу», с.
Осшльки в момент настання екстремальних температур синус право! частини цього рiвняння дорiвнюe оди-ницi, змша температур (максимальна) на будь-яшй глибиш за будь-який перюд можна визначити за допомогою виразу (1), з якого видно, що потужнiсть шару залежить не тiльки в1д перюду коливань, але так само вгд темпе-ратуропровiдностi порiд, амплiтуди на поверхш та задано! точностi вимiрювань температури. Проте у районах складених водотривкими породами, глибина згасання температурно! хвилi варiюe у значних межах переважно пiд впливом змiни перюду коливань, осшльки основш параметри змшюються у досить вузьких межах.
Велике значения в теорi!' та практиш гiдрогеотермiчних дослiджень мають температура та глибина залягання так званого «нейтрального шару», пгд яким розумiють глибину залягання шару постiйних рiчиих температур.
Теоретично, за вщсутносп конвекцi!, його потужшсть може коливатися вгд 7,6 до 38.2 м. Однак для верхшх шарiв Землi, представлених переважно глинами, суглинками значення мгж крайшми значеннями глибин насправдi може коливатися вгд 14 до 20 м, що шдтверджуегься експериментально.
За експериментальними даними температурна хвиля iз надр Землi загалом запiзнюeться приблизно 20-30 дшв iз збiльшениям глибини за кожен метр. Тому на глибиш 5 м, наприклад, у швшчнш швкут мiнiмальна температура спостертаеться у липнi, а максимальна - у счш. За прогнозних оцшок величина вiдставаиня температурно! хвилi визначаеться аналгшчно.
Найбiльш детально в натурних умовах вивчено температурний режим верхньо! частини шару молекулярних рiчних теплообтв до 1.6-3,2 м, оск1льки саме до цих глибин ведуться багаторiчнi спостереження.
Температура «нейтрального шару» в умовах закритого типу режиму, залишаючись постiйною протягом року, змiнюеться, пгдкоряючись багаторiчним циклам. На жаль, обсяг таких матерiалiв дуже обмежений як за шльшстю точок спостережень, i за тривалiстю самих спостережень.
Зютавлення даних про режим сонячно! активносл та режим температури грунту показуе, що хоча циктчшсть сонячно! активносл позначаеться на температурi поверхнi Землi безпосередньо, в цiлому ця залежнють виявля-еться складнiшою, нгж здаеться на перший погляд.
Так, закономiрностi живлення пiдземних вод прямо майже не залежать (як температура) вщ сонячно! радГа-цi!, а залежать, перш за все, вщ режиму опадiв, який у свою чергу зумовлений циклiчностi характеру циркуляцi!' атмосфери i лише остання пов'язана складною залежнютю з циклiчностi сонячно! активности Саме тому довгий час не вдавалося пояснити причини асинхронностi в режимi рiвня грунтових вод щодо циклiчностi сонячно! активностi за наявносп тiсного емпiричного зв'язку мгж цими двома факторами.
Повертаючись до характеристики режиму температури глибших шарiв, нагадаемо, що зГ збiльшенням трива-лосл та давносл циклу зменшуеться його вплив на температуру поверхневих шарГв, але зростае вплив на глибшГ шари. БагаторГчш цикли через порГвняно невеликий амплпуди поверхш проникають загалом на незначну глибину.
Експоненцшно-вгдкритий тип ггдрогеотермГчного режиму - це такий тип режиму, коли потужшсть шару фак-тичних рГчних змш температури перевищуе глибину залягання «нейтрального шару», але температурш хвилГ згасають за експонентом (перший закон Фур'е). Вгдколи були поставлен спешальш спостереження за режимом, рщко вдавалося виявити дГлянки, де б цього не спостерГгалося. Рашше дослщники, виявляючи при повторних вимГрах у свердловинах змши температури нижче «нейтрального шару», пояснювали це похибками апаратури, недолГками методики вимГрювання або рГзними факторами, що спотворюють [11].
Змша рГчних температурних хвиль лише на рГвш «нейтрального шару» вгдбуваеться у тому разГ, коли верхш вгд ЗемлГ шари складеш непроникними породами. За наявносл зверху бшьш менш потужних пачок проникних порщ картина рГзко ускладнювалася. Величина Г глибина загасання температурних амплиуд залежить не тшьки вгд температуропровГдносл поргд Г перюду температурних коливань, а головним фактором е швидшсть шфшьтра-ци шдземних вод, яка залежить вГд величини живлення. Вона особливо велика поблизу поверхневих водойм та водотошв. Необхгдно враховувати, що Г за межами водойм Г водотошв сума опадГв, що обчислюеться ктматоло-гами, зовам не говорить про те, що на кожнш данш дГлянш пропорцшна шльшсть вологи проникае в поверхневГ шари. Вгдбуваеться колосальне за сво!ми масштабами перерозподш вологи у верхшх шарах Землг На великих площах сушГ з особливостей геолого-пдрогеолопчно! побудови, шфшьтращю може йти лише незначна частина опадГв. На шших дшянках при перерозподш водних мас Г сприятливих геолого-пдрогеолопчних умовах може створюватися багаторазова «перевага» вод, що шфшьтруються. Тому не можна приймати як максимальну швид-к1сть шфГльтрацш середш або навпъ максимальш цифри, що характеризують розподш опадГв на поверхш Землг
В процеа багаторГчного вивчення режиму температури верхшх шарГв земно! кори, в натурних умовах було встановлено, що в районах, складених вГд поверхш ЗемлГ водопроникними породами, потужшсть шару рГчних змшних температур суттево зростае Г не ув'язуеться з даними, одержуваними аналГтичним шляхом на базГ вирь шення диференшального рГвняння, яке описуе передачу тепла лише молекулярною теплопроваднютю.
При просочуванн! атмосферних вод, а також вод з поверхневих водойм та водоток!в, глибина 1 швидк!сть проникнення температурних хвиль виявляються значно б!льшими, н!ж у водотривких породах. Якщо в остан-ньому випадку теплообм!н в!дбувався лише завдяки молекулярн!й теплопров!дност! пор!д, то при !нф!льтра-ц!! перенесення тепла зд!йснюеться, кр!м того, з масою води, що рухаеться, тобто, шляхом конвекц!!. Райони саме з такими умовами належать до в1дкритого типу г1дрогеотерм1чного режиму. Спостер!гаеться в!н там, де верхн! земн! шари, кори складен! добре проникними 1 дренованими породами (з глибокою ероз!йною розчленован!стю).
£ к!лька р!шень диференц!ального р1вняння, що враховуе передачу тепла кондуктивним шляхом 1 конвекц!ею, а також поверхнев! синусо!дальн! зм!ни температури. Найб!льш суворе !х р!шення. Р. В. Столлмана
Де tв - температура пов!тря
2. При х = да температура не залежить в!д поверхневих коливань температури.
Ц! граничн! умови добре задовольняють р1вняння в частин! 0 < х < да та 0 < т1 < да. Застосовуеться р!шення за таких умов: р!дина рухаеться постшно 1 р!вном!рно вздовж ос! х; теплов! характеристики середовища та р!дини, пост!йн! у простор! та в чай. Температура води в кожшй точц! !нтервал!в дор!внюе температур! пор!д. Оск1льки при максимум! амплиуди синус право! частини р!вняння (3) дор!внюе одиниц!, то за аналог!ею з традиц!йними прийомами, як! застосовуються в молекулярн!й теплопров!дност!, загасання температурно! хвил! можна визна-чити за допомогою виразу (1). Розрахунки згасання добово! та р!чно! температурних хвиль показують, що гли-бини згасання, як ! сл!д оч!кувати, збшьшуються загалом !з зростанням швидкост! фшьтраци та зменшенням температуропров!дност! скелета порвд
1нверстний тип г1дрогеотерм1чного режиму це особливий тип гхдрогеотерм!чного режиму при якому поверх-нев! температурн! амплиуди передаються пластом в!д зон живлення ! характеризуеться п!сля згасання повторною появою на бшьшш глибин! амплттуд температури з тим же перюдом.
Таке згасання (експоненц!альне) вхдбуваеться лише в однородному геолого-гхдрогелог!чному середовищ!. А осшльки г!дрогеосфера насправд! шарувата ! дуже неоднор!дна як за складом прських пор!д, так ! за !х ф!ль-трац!йними властивостями, то ! в!дповхдний характер загасання температурних хвиль в реальних умовах спосте-р!гаеться насправд! р!дко. Оск!льки тд слабопроникними г!рськими породами можуть залягати породи з бшьш високими фшьтрацшними властивостями, то за наявност! зв'язку в таких пор!д з поверхневим водотоком або водоймою через них температурн! хвил! проникають у надра Земл! латерально на вхдстань, що визначаеться в основному швидшстю шфшьтрацп. Це ! е причиною формування !нверс!й у г!дрогеотерм!чному режим!, коли температурн! амплиуди шсля загасання повторно спостери-аються у глибших, але бшьш водопроникних шарах.
Таким чином, якщо в прських породах шсля згасання !! амплиуда зб!льшуеться повторно, то так! породи мю-тять водоносний шар, що мае за межами точки спостережень безпосереднш зв'язок з поверхнею Земл!, з якою вш латерально обм!нюеться (через область живлення) вологою та теплом (Рис. 5).
У свил! цього пдрогеосфера постае насправд! як шарувато-неоднорщна система щодо терм!чного режиму у зв'язку з чим !! геотемпературне поле необхвдно розглядати як нестац!онарне. Ран!ше, як ми бачили, ця система приймалася як однор!дна щодо терм!чного режиму, а геотемпературне поле як стацюнарне чи квазютанюнарне. Оск!льки потужиiсть зони активного водообмшу г!дрогеосфери, у межах яко! !нверс!!' поширен! повсюдно, пере-вищуе всюди на континентах глибину залягання «нейтрального шару».
Загалом глибина поширення !нверс!й (у р!чному цикл!) корелюе !з потужн!стю зони активного водообм!ну г!дрогеосфери. З огляду на це можна з упевнен!стю стверджувати, що р!чн! !нверс!йн! зм!ни температури поши-рюються у водоносних горизонтах зони активного водообмшу практично на всьому м!жр!чч!.
Клас «тверайний тип г1дрогеотерм1чного режиму» можна розд!лити на два тдкласи: ¡нверайно-закритий тип г!дрогеотерм!чного режиму та ¡нверайно-вгдкритий тип г!дрогеотерм!чного режиму.
1нверстно-закритий тип г1дрогеотерм1чного режиму спостер!гаеться на д!лянках, складених товщею водо-ст!йких ! водопроникних пор!д, що перешаровуються, з наявн!стю у верхн!й частин! розр!зу водотривкого шару потужн!стю понад 40-50 м, що характерно для артез!анських басейн!в, приурочених до геоструктурних западин. Р!чн! зм!ни температури в таких районах у межах верхнього водотривкого шару спочатку загасають так само,
1/2
(3)
Р!шення отримано для таких граничних умов: 1. Температура на поверхн! Земл!
Ч = Кс +At
sin 2лт, / т
як Г в районах з експонещшно-закритим типом пдрогеотермГчного режиму. Але потГм, нижче за глибиною амп-лгтуди, знову чГтко рееструються, коли вимiрюваиия проводиться в межах водоносного пласта, що мае область живлення на поверхш ЗемлГ, з якою вш постшно обмшюеться вологою та теплом. Стратосфера майже повсюдно представлена товщею водотривких глин Г водопроникних поргд що перешаровуються. У цих умовах схема гидрогеотермического режиму у розрГзГ представляе собою чергування по вертикалГ зон постшних рГчних температур Гз зонами, де рееструються змши температури протягом року.
Рис. 5. Загальна схема формування iнверсiйного типу гiдрогеотермiчного режиму: 1 - напрямок руху поверхневоТ температурноТ хвилi; 2 - поверхневе водоймище; 3 - водоносний шар у гравшно-галечникових в1дкладах; 4 - теж у Iисках; 5 - глини, ввдносно водотривкц 6 - кристалiчнi слабопроникнi породи. К! та К2 - коефiцieнти загасання температурноТ хвилi вiдповiдно в умовах молекулярного та молекулярно-конвективного теплообмшу
1нверстно-в1дкритий тип пдрогеотермГчного режиму визначаеться на тдставГ повного рГчного циклу спосте-режень та при точностГ вимГрювань температуру ±0,01°С. Цей тип режиму у природГ е найпоширешшим. Так як артезГансьш басейни представляють собою переважно поверхове чергування водоносних горизонта Г водотривких товщ поргд з наявнютю зв'язку у водоносних горизонтГв з поверхнею ЗемлГ в областях живлення, поверхнев1 фактори впливають практично на всю осадову товщу. Аналггачно оцшити масштаби цього впливу важко через складшсть облшу геолого-пдрогеолопчно! та теплофГзично! неоднорадносп таких систем. З якимсь ступенем наближеностГ це е можливим при використанш коефщГентГв загасання температурних хвиль у тому випадку, якщо вони визначеш експериментальним шляхом.
НеобхГдно мати на увазГ, що у зв'язку з неодноргдшстю водоносних горизонтГв наведеш даш вгдображають лише схематично масштаби впливу поверхневих факторГв в гдеалГзованих пдрогеолопчних умовах. Час, за який артезГанський басейн загалом пгддаеться впливу ктмату, залежить також вгд вгдсташ мГж областями живлення та розвантаження, потужностГ перекриваючо! водостшко! товщГ поргд, глибини залягання фундаменту, потужностГ водоносних горизонтГв, ступеня розкритостГ басейну (вихГд водоносних пласлв на поверхню в областГ живлення та розвантаження, наявностГ «пдрогеолопчних вжон», переливГв м1ж водоносними горизонтами тощо.
У зв'язку з чим, при проектуванш пдротермальних теплонасосних систем необхгдно враховувати ггдрогеоло-пчш особливостГ району !х розмщення та типи пдрогеотермГчного режиму. Це пов'язано з тим, що на ефектив-нють тепло насосно! системи впливають два показника, це температура на виходГ з конденсатора та температура на входГ до випарника.
Ф = Ql/N = + ЮМ = Т2/(Т-Ти),
де
Q1 - теплопродуктившсть ТНУ, Вт; N - потужнють компресора, Вт;
Т2 - температура теплонос1я на виходГ з конденсатора, К; Т11 - температура теплоноая на входГ у випарник.
З урахуванням того, що температура на виходi з конденсатора обумовлюеться системою теплозабезпечення будiвлi i температурним режимом опалення та е контрольованою, а температура на входi в випарник залежить в!д природнiх факторiв що ввдбуваються в земнiй поверхнi та умов навколишнього середовища то температура на входi в випарник залежить в!д природнiх факторiв що ввдбуваються в земнш поверхнi та умов навколишнього середовища що не завжди е постшними та стабiльними.
Розрахунок та результата залежносп енергетично! ефективностi експериментально! теплонасосно! установки в!д падiння температури природного теплоносiя, а вiдповiдно i на входi до випарника теплонасосно! системи наведет в робоп [13].
Висновки
1. Доведено, що найбшьш ефективними е теплонасоснi системи як! використовують теплоту грунту або грун-тових вод та мають теплообмшники та свердловини встановленi на глибину нижче нейтрального шару.
2. Теоретично та експериментально шдтверджено, що ендогенш та екзогеннi фактори, впливають на глибину залягання нейтрального шару. Визначено, що екзогенш фактори в порiвняннi з ендогенними мають б№ший вплив на формування термiчного режиму пдросфери.
3. Пiдтверджено, що в залежносп вщ гiдрогеологiчних умов, зони розташування свердловин геотермально! теплонасосно! системи, нижче теоретично визначено! глибини нейтрального шару можуть повторно утворюва-тися зони з девiацiею температури грунту.
4. Шдтверджено, що п!д час проектування геотермальних теплонасосних ситем необхщно враховувати, що на дiлянках, де перепади висот рельефу е близькими за розмiром з глибиною залягання продуктивного водоносного горизонту коефщент трансформаци теплонасосно! системи може суттево вiдрiзнятися в!д розрахункового.
5. Шдтверджено, що для ефективного використання водоносного горизонту як природного акумулятора теплово! енергi!' необхвдно проведення попереднiх пдрогеолопчних дослiджень та як!сне вивчення як юнуючого антропогенного навантаження так i геоморфологiчних, геологiчних та гiдрогеологiчних параметрiв д!лянки проведення бурових робгг.
Список використаноТ лiтератури
1. Suveizdis P., Rasteniene V, Zinevicius F. (2000) Geothermal potential of lithuania and outlook for its utilization. Proceedings World Geothermal Congress 2000. Kyushu : Tohoku : Japan, May 28 - June 10. 2000. pp. 1356-1367.
2. Zhu K, Blum P., Ferguson G., Balke K., Bayer P. (2010) The geothermal potential of urban heat islands. Environ. Res. no. 5, pp. 1-6. http://dx.doi.org/10.1088/1748-9326/6/1/019501
3. Oliinyk H. (2022) Study of the efficiency of using a heat pump in the heat supply system of a private house. Scientific Journal of the Ternopil National Technical University, vol. 107, no 3, pp. 14-20. https://doi.org/10.33108/ visnyk_tntu2022.03
4. Олшниченко В.Г., Марченко М.В., Кушшр 1.О. (2017) Ефективш напрямки швестування в шлуз! геотермально! енергетики. В1дновлювана енергетика, № 3, С. 73-79.
5. Морозов Ю.П., Чалаев Д.М., Школаевська Н.В., Добровольський М.П. (2019) Ощнка ефективносл використання теплового потенщалу довкшля та верхшх шарiв Землi Укра!ни. В1дновлювана енергетика, № 4(63), C. 80-88. https://doi.org/10.36296/1819-8058.2020.4(63).80-88
6. А. А. Барило. (2020) Аналiз пдрогеолопчних i геотермiчних характеристик геотермальних об'екпв Укра-!ни. В1дновлювана енергетика, № 1(60), С. 74-84. https://doi.org/10.36296/1819-8058.2020.1(60).74-85
7. Малин Е.С., Кулшко £.О. (2014) Перспективи та аспекти застосування систем теплохолодопостачання, як! використовують приповерхневi шари води в якост! теплового акумулятора. Вентилящя, освгтлення та теплога-зопостачання, № 17, С. 63-69.
8. Zurian O.V., Barilo А.А. (2022 ) Impact of the natural temperature regime of the upper layers of earth on efficiency of a hydrothermal heat pump system. Journal of Geology, Geography and Geoecology, vol 31, no 3, pp. 575-584. https:// doi.org/10.15421/112254
9. Зур'ян О.В. (2023) Вплив потоку тдземних вод на геотермальний гращент. В1сник Кременчуцького нацюналь-ногоунгверситету гмеш Михайла Остроградського, № 2(139), С. 153-161. https://doi.org/10.32782/1995-0519.2023.2.19
10. Зур'ян О.В. (2021) Експериментальш дослвдження теплового режиму пдротермально! теплонасосно! системи. В1дновлювана енергетика, № 1 (56), С. 10-19. https://doi.org/10.36296/1819-8058.2021.4(67).77-89
11. Фролов Н.М. (1991) Основи ггдрогеотермИ. Шд редакщею В.1. Лялько. M: Надра. 1991. 335 с.
12. Морозов Ю.П., Чалаев Д.М., Олшшченко В.Г., Величко В.В. (2019) Експериментальне дослщження добо-вого акумулювання холоду шляхом використання води тдземних горизонпв м. Киева. В1дновлювана енергетика, № 3, С. 67-77. https://doi.org/10.36296/1819-058.2019.3(58).67-77
13. Зур'ян О.В. (2023) Врахування динамiки зм!н температури п!дземних вод на дшянках берегових водо-заборiв г!дротермальних теплонасосних систем. В1сник Херсонського нацюнального техтчного утверситету, № 2 (85), С. 20-28.
References
1. Suveizdis P., Rasteniene V., Zinevicius F. (2000) Geothermal potential of lithuania and outlook for its utilization. Proceedings World Geothermal Congress 2000. Kyushu : Tohoku : Japan, May 28 - June 10. 2000. pp. 1356-1367.
2. Zhu K, Blum P., Ferguson G., Balke K., Bayer P. (2010) The geothermal potential of urban heat islands. Environ. Res. no. 5, pp. 1-6. http://dx.doi.org/10.1088/1748-9326/6A/019501
3. Oliinyk H. (2022) Study of the efficiency of using a heat pump in the heat supply system of a private house. Scientific Journal of the Ternopil National Technical University, vol. 107, no 3, pp. 14-20. https://doi.org/10.33108/ visnyk_tntu2022.03
4. Oliinychenko V.G., Marchenko M.V., Kushnir I.O. (2017) Efektyvni napriamky investuvannia v haluzi heotermalnoi enerhetyky [Effective investment directions in the field of geothermal energy]. Renewable energy, no. 3, pp. 73-79.
5. Morozov Yu.P., Chalaev D.M., Nikolaevska N.V, Dobrovolskyi M.P. (2019) Otsinka efektyvnosti vykorystannia teplovoho potentsialu dovkillia ta verkhnikh shariv Zemli Ukrainy. [Estimation of the efficiency of using the thermal potential of the environment and the upper layers of the Earth of Ukraine]. Renewable Energy, vol. 63, no 4, p. 80-88. https://doi.org/10.36296/1819-8058.2020.4(63).80-88
6. Barilo A. A. Analiz hidroheolohichnykh i heotermichnykh kharakterystyk heotermalnykh obiektiv Ukrainy [Analysis of hydrogeological and geothermal characteristics of geothermal objects in Ukraine]. Renewable energy. vol. 160, no. 1, pp. 74-84. https://doi.org/10.36296/1819-8058.2020.1(60).74-85
7. Malkin E.S., Kulinko E.O. (2014) Perspektyvy ta aspekty zastosuvannia system teplokholodopostachannia, yaki vykorystovuiut prypoverkhnevi shary vody v yakosti teplovoho akumuliatora. [Prospects and aspects of the application of heat and cold supply systems that use near-surface layers of water as a heat accumulator]. Ventilation, Illumination and Heat-Gas Supply, no. 17, pp. 63-69.
8. Zurian O.V., Barilo A.A. (2022) Impact of the natural temperature regime of the upper layers of earth on efficiency of a hydrothermal heat pump system. Journal of Geology, Geography and Geoecology, vol. 31, no 3, pp. 575-584. https:// doi.org/10.15421/112254
9. Zurian O.V. (2023) Vplyv potoku pidzemnykh vod na heotermalnyi hradiient.[The influence of groundwater flow on the geothermal gradient]. Bulletin of Mykhailo Ostrogradsky National University of Kremenchug, vol. 139, no. 2, pp. 153-161. https://doi.org/10.32782/1995-0519.2023.2.19
10. Zurian O.V. (2021) Eksperymentalni doslidzhennia teplovoho rezhymu hidrotermalnoi teplonasosnoi systemy. [Experimental studies of the thermal regime of the hydrothermal heat pump system]. Renewable energy, vol. 56, no. 1, pp. 10-19. https://doi.org/10.36296/1819-8058.2021.4(67).77-89
11. Frolov N.M. (1991) Osnovy hidroheotermii. [Basics of hydrogeotermyi]. M: Nadra, 991. 335 p.
12. Morozov Yu.P., Chalaev D.M., Olynichenko V.G., Velichko V. V (2019) Eksperymentalne doslidzhennia dobovoho akumuliuvannia kholodu shliakhom vykorystannia vody pidzemnykh horyzontiv m. Kyieva. [Experimental study of daily accumulation of cold by using water from the underground horizons of the city of Kyiv]. Renewable energy, no. 3, pp. 67-77. https://doi.org/10.36296/1819-058.2019.3(58).67-77
13. Zurian O.V Vrakhuvannia dynamiky zmin temperatury pidzemnykh vod na diliankakh berehovykh vodozaboriv hidrotermalnykh teplonasosnykh system. [Taking into account the dynamics of changes in the temperature of underground water in the areas of coastal water intakes of hydrothermal heat pump systems]. Bulletin of the Kherson National Technical Universit, vol. 85, no. 2, pp. 20-28.
