Отопление за счет тепла земли своими руками: обогрев за счет энергии земли, земляное отопление из земли своими руками, фото и видео примеры

Содержание

Отопление дома от тепла земли своими руками

Для обеспечения частного дома теплом традиционно используются агрегаты, работающие на электричестве, твердом, газовом или жидком топливе. В последние десятилетия в качестве альтернативного источника тепловой энергии используют солнечные коллекторы и тепло земных недр. Обогрев дома с помощью тепла земли называется геотермальным отоплением дома.

Геотермальное отопление дома за счет энергии земли

Отопление от земли пользуется растущим спросом, поскольку стоимость привычных энергоносителей неуклонно повышается, а запасы ископаемого топлива при этом сокращаются. Вложение денег в земляное отопление загородного коттеджа достаточно выгодно с учетом экономических перспектив и существенной экономии средств на автономное теплоснабжение в отопительный период.

Способы получения природной тепловой энергии

Геотермальные тепловые насосы различаются по способу извлечения тепла:

  1. Установки, использующие тепло грунтовых вод глубокого залегания, горячих гейзеров и т.д.
  2. Системы, в состав которых входит резервуар с антифризом, устанавливаемый в грунте на глубине от 75 метров. Отопление из недр земли обеспечивается за счет естественного нагрева емкости с антифризом; в результате хладагент, проходя через теплообменник, отдает полученное тепло и возвращается в емкость.
  3. Геотермальный контур укладывается по дну водоема, который является естественным аккумулятором тепла. В данном случае нужно учесть, что водоем может полностью промерзнуть в зимнее время.

Виды геотермальных тепловых насосов

Отопление дома энергией земли требует масштабных работ по монтажу системы, но зато это экологичный способ получить практически бесплатную тепловую энергию. Чтобы отопить дом, потребуются незначительные расходы на электроэнергию, необходимую для функционирования системы.

Принципы функционирования геотермального отопления

Отопление за счет энергии земли успешно применяется в различных климатических зонах: системы способны работать и в южных, и в северных регионах.

Геотермальная установка в процессе своего функционирования использует такое физическое свойство некоторых жидкостей, как способность испаряться, что приводит к охлаждению поверхности. Именно это явление лежит в основе работы холодильного оборудования.

Принцип работы геотермального отопления представляет собой запущенный в обратную сторону процесс охлаждения. Именно так работают кондиционеры, способные не только охлаждать, но и подогревать воздух в помещении.

Принцип работы теплового насоса

Однако, установки для кондиционирования воздуха имеют ограниченную работоспособность — они не могут функционировать при температуре ниже -5°C. А геотермальная система способна обеспечить обогрев дома независимо от температуры воздуха на поверхности. Это связано с тем, что в той среде, откуда она забирает тепловую энергию, естественным образом поддерживаются стабильные температурные условия.

Устройство геотермальной отопительной системы

Геотермия (наука о тепловом состоянии Земли) сделала возможным практическое применение тепловой энергии, которую земная кора получает от раскаленной магмы в центре планеты.

Специально разработанный тепловой насос для отопления дома устанавливается на поверхности, а в грунте или на дне водоема монтируется теплообменник. Тепловая энергия «выкачивается» на поверхность и позволяет нагреть теплоноситель в контуре отопления дома или объекта нежилого назначения.

Как происходит процесс обогрева

Геотермальное отопление частного дома — экономически эффективный вариант. Если использовать энергию земли для отопления дома, то на каждый киловатт электроэнергии, необходимой для работы оборудования, приходится от 4 до 6 кВт полезной тепловой энергии, полученной из недр планеты.

В сравнении с функционированием кондиционера увидим, что при его эксплуатации на получение 1 кВт тепловой энергии требуется затратить более 1кВт электроэнергии. Это связано с неизбежными потерями на преобразование одной энергии в другую и т. д.

Отапливать жилой дом за счёт тепловой энергии земных недр очень выгодно, но период окупаемости оборудования и затрат на монтаж займет определенное время.

Использование тепла земли для отопления дома не требует установки традиционного котла для нагрева теплоносителя.

В данном случае система состоит из трех составляющих:

  • контур нагревания — геотермальный источник тепловой энергии;
  • отопительный контур внутри дома — низкотемпературный радиаторный либо напольный;
  • насосная станция — тепловой насос для перекачивания в отопительный контур тепловой энергии из контура нагревания в толще грунта или под водой.

Геотермальная система отопления может применяться также для обогрева теплиц, вспомогательных построек, воды в бассейне, садовых дорожек и т.д.

Оборудование для обустройства геотермального отопления

Геотермальное оборудование для глубинной отопительной системы позволяет аккумулировать извлеченную из окружающей среды тепловую энергию и передавать ее теплоносителю в отопительном контуре.

Список оборудования для обогрева с помощью тепла земли включает:

  • Испаритель. Устройство располагают на глубине, и оно служит для поглощения находящейся в геотермальных водах или грунте тепловой энергии.
  • Конденсатор. Позволяет довести температуру антифриза до необходимой для функционирования системы величины.
  • Тепловой насос. Обеспечивает циркуляцию антифриза в контуре нагревания, контролирует работу геотермальной установки.
  • Буферный бак — емкость для сбора нагретого антифриза. Позволяет передавать тепловую энергию земных недр теплоносителю. Бак, через который проходит теплоноситель, оборудован теплообменником в виде змеевика. По нему, отдавая тепло, движется нагретый антифриз.

Схема устройства теплового насоса

Монтаж системы

Геотермальное отопление загородного дома на этапе обустройства требует солидных денежных вложений. Высокая итоговая стоимость системы во многом обусловлена большим объемом земельных работ, связанных с монтажом контура нагревания.

С течением времени финансовые затраты окупаются, поскольку используемая в отопительный сезон тепловая энергия извлекается из земных глубин с минимальными затратами электроэнергии.

Монтаж горизонтального теплообменника геотермальной системы отопления

Для обеспечения отопления дома теплом земли необходим монтаж системы:

  • основная часть должна располагаться под землей или на дне водоема;
  • в самом доме устанавливается только достаточно компактное оборудование и прокладывается контур радиаторного или напольного отопления. Оборудование, расположенное внутри дома, позволяет регулировать уровень нагрева теплоносителя.

Как выглядит геотермальное оборудование в доме

При проектировании отопления за счет тепла земли, необходимо определиться с вариантом монтажа рабочего контура и типом коллектора.

Различают два типа коллекторов:

    Вертикальный — погружается в грунт на несколько десятков метров. Для этого на небольшом расстоянии от дома требуется пробурить некоторое количество скважин. В скважины погружается контур (самый надежный вариант — трубы из сшитого полиэтилена).

Недостатки : Большие финансовые затраты на бурение в грунте нескольких скважин глубиной от 50 метров.

Преимущества : Подземное расположение труб на глубине, где температура грунта отличается стабильностью, обеспечивает высокую эффективность работы системы. Кроме того, вертикальный коллектор занимает небольшую площадь земельного участка.

Недостатки : Необходимость использования большой площади участка (основной недостаток). Этот участок земли после укладки контура невозможно использовать под сад или огород, так как система работает с выделением холода при транспортировке хладагента, из-за чего корни растений будут перемерзать.

Преимущества : Более дешевые земельные работы, которые можно даже выполнить своими силами.

Горизонтальный и вертикальный тип коллектора

Геотермальную энергию можно добывать, если уложить на дне непромерзающего водоема горизонтальный геотермический контур. Однако, это сложно осуществить на практике: водоем может быть расположен за пределами частной территории и тогда установку теплообменника нужно будет согласовывать. Расстояние от отапливаемого объекта до водоема должно составлять не более 100 метров.

Важно! Температура окружающей коллектор среды не должна опускаться ниже +5°C. Контактирующую с промерзающим грунтом верхнюю часть коллектора нужно защитить термоизоляцией для избежания потерь тепловой энергии.

Преимущества и недостатки

Отопление энергией земли имеет целый ряд преимуществ:

  • Эффективность. По сравнению с расходами на электричество для работы теплового насоса система позволяет получить в несколько раз больше тепловой энергии.
  • Экологичность. Данный вид отопления экологически полностью безвреден, отсутствуют выбросы в атмосферу.
  • Безопасность. Нет необходимости использовать какое-либо топливо, химические средства и т.д., нет угрозы взрыва или возгорания оборудования.
  • Минимальная потребность в техподдержке. Правильно смонтированная система способна проработать без какого-либо вмешательства не менее 30 лет.
  • Экономичность. В ходе эксплуатации отсутствуют затраты на ремонт, что позволяет окупить монтаж отопления в течение 5-8 лет.
  • Отсутствие необходимости контролировать работу системы.
  • Низкий уровень шума при работе оборудования.
  • Неисчерпаемость источника тепловой энергии, не требуется закупать и хранить энергоноситель.

Экологичность использования тепловой энергии недр

К недостаткам можно отнести:

  • изначально высокие расходы на оборудование;
  • необходимость вести сложные буровые работы на участке для монтажа вертикального контура или портить ландшафт подготовкой траншей для горизонтального теплообменника.

В умеренном климате геотермальные установки доказали свою эффективность. В северных же регионах данный вид отопления подходит для домов небольшой площади (до 200 м 2 ).

Разобравшись, как работает система и из каких частей стоит, можно определить возможность ее монтажа на собственном участке. Преимущественно отопление из земли обустраивают на этапе строительства дома — в этом случае проще вести земляные работы, так как планировка участка и создание ландшафтного дизайна еще впереди.

Геотермальное отопление применяется для отопительной системы.

В качестве основного или дополнительного источника получения тепла служит энергия земли.

Обогрев дома теплом из-под земли: что это такое

На территории России высокотемпературные (термальные) родники располагаются крайне неравномерно, преимущественно вдали от населённых пунктов, что затрудняет их использование для целей отопления.

По мере развития технологий и внедрения новых видов оборудования, для производства тепловой энергии появилась возможность воспользоваться и низкотемпературными источниками.

Кроме прочего, подземные слои, находящиеся на расстоянии 50—100 метров ниже поверхности земли, имеют положительную температуру равную

10—12 °C. Такие значения сохраняются вне зависимости от времени, что даёт возможность пользоваться отоплением на протяжении всего года.

Преимущества системы геотермального отопления:

  • Экономичность. Источниками являются возобновляемые ресурсы, что позволяет избежать финансовых вложений в покупку топлива, как в случае использования традиционных систем. Не потребуются и дополнительные расходы, связанные с транспортировкой, хранением топлива.
  • Безопасность. Маловероятно возникновение каких-либо аварийных ситуаций, взрывов и возгораний.
  • Экологичность. Так как процесс сгорания в геотермальной системе не используется, то и присущие ему выбросы в атмосферу исключены.
  • Автономность. При наличии автоматического управления, не требует частого вмешательства или постоянного внешнего контроля.

Недостатки:

  • Немалые первоначальные денежные затраты.
  • Трудоёмкая установка.
  • Необходимость источника электрической энергии.

Как действует система геотермального отопления

Тепло для обогрева жилья или подачи горячего водоснабжения получают методом преобразования его из энергии окружающей среды с помощью особого агрегата.

Основным элементом геотермальной установки является тепловой насос, который соединён с внутренним и внешним контуром отопления.

Строение внутреннего контура аналогично традиционному варианту отопления (газ, вода). Это: трубы и радиаторы.

Внешний контур, размер которого намного больше внутреннего, размещаясь под землёй, является невидимым в процессе его эксплуатации. Внутри него циркулирует теплоноситель. Это: или обычная вода, или антифриз, как правило, — на основе этиленгликоля. И, второй вариант гораздо предпочтительнее.

Температура теплоносителя уравнивается с температурой среды, когда он находится во внешнем контуре, а затем он отправляется в тепловой насос. Пройдя через него, подогретые массы направляются по внутреннему контуру.

Наличие теплового насоса и является главным фактором для получения тепловой энергии, которая предназначается для последующего её использования потребителем (обогрев жилья, горячее водоснабжение).

КПД этого устройства некоторых может привести в изумление. Потребляя электрическую энергию в объёме 1 кВт в результате своей работы «выдаёт» несколько больше — 4—5 кВт, что выглядит весьма странным.

Это происходит благодаря как конструктивным особенностям прибора, так и тому, что он, помимо электрической, использует тепловую энергию земли в качестве добавочной (даже при низкой температуре грунта).

Тепловой насос способен работать круглый год и эксплуатироваться на протяжении 15—25 лет.

Примечание! Некоторые специалисты уверяют, что с учётом трения или износа, реальный срок действия системы без остановки для проведения ремонтных работ составляет порядка 10 лет.

Земные недра – известный с древнейших времен источник тепла. На глубине 6 метров от поверхности грунта начинается область стабильной температуры, которая круглогодично равняется средней годовой температуре атмосферы региона (примерно +15 ⁰С в умеренной климатической зоне). Поговорим про минусы геотермального отопления.

Сегодня тепло Земных недр активно используется для организации геотермального отопления.
Разумеется, несмотря на неиссякаемость тепловой энергии грунта, организация геотермального отопления сопряжена со множественными сложностями, как технического, так и экономического характера. С точки зрения финансовой выгоды, установка геотермальной системы уступает традиционному твердотопливному, газовому и электрическому обогреву.

Главные недостатки геотермального отопления

1. Необходимость электрической энергии. Простейшая геотермальная система требует для получения 4 (кВт) тепловой энергии не менее 1 (кВт) электричества.

Забор тепла от грунта не происходит сам по себе. Для теплообмена обязательно и непременно используется насос. Случись что с электросетью, отопительный контур сразу перестанет обеспечивать объект теплом, так как тепловой насос остановится без электропитания.

2. Низкий уровень теплоотдачи. Традиционная горизонтальная система геотермального отопления, которая уходит под землю на глубину 15-30 метров, обеспечивает лишь 40 (Вт) тепловой энергии с каждого погонного метра подземной магистрали.

Для получения 4 (кВт) тепловой энергии нужно задействовать не менее 100 (м) трубопроводного контура. Если же планируется отапливать объект общей площадью 250 (м2) (высота потолка 2,5-3 метра), нужно задействовать систему отопления мощностью не менее 27,5 (кВт). Для работы такого оборудования понадобится минимум 688 метров погонных подземного трубопровода.

Это далеко не все недостатки геотермального теплового насоса.

3. Ограниченная сфера применения. Геотермальное отопление возможно установить далеко не на каждом объекте. К примеру, отапливать отдельную квартиру в многоэтажке или какой-нибудь магазин в центральных районах города точно не получится. Разрабатывать грунт на территории густонаселенных жилмассивов вряд ли кто-то разрешит.

Другое дело, если геотермальное отопление организовывается на территории жилищного объекта из частного сектора или для какого-нибудь предприятия на окраине города.

4. Высокая стоимость установки геотермального отопления. Само оборудование для организации геотермального отопления стоит минимум в 10 раз дороже аналогичной по мощности газовой техники.

Но покупка оборудования является далеко не полной статьей расходов. В сумму установки геотермального отопления нужно дополнительно включить расходы на создание и обустройство подземных коммуникаций. Не нужно забывать и про пусконаладочные работы, а также обслуживание.

Геотермальное отопление обходится очень дорого.

5. Длительная окупаемость. Срок окупаемости среднестатистической геотермальной системы во многом превышает 10-15 лет. Большой срок окупаемости обусловлен высокой стоимостью оборудования и монтажа коммуникаций.

Для сравнения, традиционный бытовой газовый котел мощностью до 12 (кВт) окупается в среднем за 5 лет.

Вывод

Конечно, минусы данного типа отопления хорошенько компенсируются преимуществами геотермальных систем. Стоит отметить, что геотермальное отопление не наносит вреда экологии. Если вы приверженец “зеленой энергетики” и не сильно ограничены в бюджете, то грех не использовать геотермальную энергию.

Еще одним важным преимуществом геотермальных коммуникаций является неприхотливость к обслуживанию. Так же как и к хорошему холодильнику, к геотермальному насосу можно не подходить для сервиса на протяжении первых 30 лет точно.

лучшие системы для загородного дома


Мы знаем, что геотермия – это тепло Земли, а понятие «геотермальный» зачастую ассоциируется у нас с вулканами и гейзерами. В России геотермальная энергетика используется преимущественно в промышленных масштабах, например, существуют дальневосточные электростанции, работающие на основе тепла нашей планеты.

Многие уверены, что сделать геотермальное отопление дома своими руками – это что-то из области фантастики. Не так ли? Но это совершенно не так! С развитием современных технологий бытовое использование “зеленой энергии” стало вполне реально.

Мы расскажем о принципах работы альтернативного отопления, его преимуществах и недостатках, сравним с традиционными системами обогрева. Также вы узнаете о способах расположения теплообменника и о том, как смонтировать геотермальное отопление своими руками.

Содержание статьи:

Несколько исторических фактов

Когда в 70-е годы прошедшего столетия разразился нефтяной кризис, на Западе возникла жгучая потребность в . Именно в тут пору и стали создаваться первые геотермальные отопительные системы.

Сегодня они получили широкое распространение в Соединенных Штатах, в Канаде и в западноевропейских государствах.

Галерея изображений

Фото из

Использование энергии земных недр обладает веским преимуществом: применяемые ресурсы достаются бесплатно и самопроизовольно восстанавливаются

Внутренний блок геотермальной системы занимает немного места, внешне напоминает привычную бытовую технику

Первоначальные вложения в устройство системы, использующей геотермальную энергию, выше, чем установка котла, но минимальные средства на содержание и эксплуатацию оправдывают и быстро окупают проект

Оборудование, перерабатывающее энергию земли в тепло, не выделяет продуктов горения, не сжигает безвозвратно дрова, уголь, торф, газ

Перспективы геотермального отопления

Габариты внутреннего блока геотермальной системы

Стоимость установки и эксплуатации теплового насоса

Экологические приоритеты теплонасосов

Например, в Швеции активно используют воду Балтийского моря, температура которой составляет +4°С. В Германии внедрение геотермальных отопительных систем даже спонсируется на государственном уровне.

При упоминании геотермальных источников энергии мы всегда представляем себе долину гейзеров или вулканы, но нужные нам источники гораздо ближе. И они помогут нам согреться зимой и охладиться летом

В России действуют Паужетская, Верхне-Мутновская, Океанская и другие геотермальные электростанции. Но фактов использования энергии Земли в нашем частном секторе очень мало.

Реальные преимущества и недостатки

Если в России геотермальное отопление частного сектора получило сравнительно малое распространение, значит ли это, что идея не стоит затрат на её воплощение? Может быть, и заниматься этим вопросом не стоит? Оказалось, что это не так.

Использование системы геотермального отопления жилища – решение выгодное. И тому есть несколько причин. В их числе и быстрая установка оборудования, которое способно длительное время работать без каких-либо перебоев.

Если использовать в отопительной системе не воду, а качественный антифриз, она не будет промерзать и её износ будет минимальным.

Перечислим и прочие преимущества этого вида отопления.

  • Исключена процедура сжигания топлива. Мы создаём абсолютно пожаробезопасную систему, которая, в процессе своей эксплуатации, не сможет нанести жилью никакого ущерба. Кроме того, исключается ряд других моментов, связанных с присутствием топлива: теперь не нужно искать место для его хранения, заниматься его заготовкой или доставкой.
  • Существенная экономическая выгода. В процессе эксплуатации системы не потребуется никаких дополнительных вложений. Ежегодный обогрев обеспечивают силы природы, которые мы не покупаем. Конечно, при функционировании теплового насоса затрачивается электрическая энергия, но при этом объём производимой энергии существенно превышает размеры потребления.
  • Экологический фактор. Геотермальное отопление частного загородного дома – это экологически безопасное решение. Отсутствие процесса горения исключает поступление в атмосферу продуктов сгорания. Если это осознают многие, и такая система теплоснабжения получит должное повсеместное распространение, негативное влияние людей на природу многократно уменьшится.
  • Компактность системы. Вам не придется организовывать в своём доме обособленное помещение котельной. Всё, что будет необходимо – это тепловой насос, который можно разместить, например, в подвале. Наиболее объёмный контур системы будет располагаться под землей или под водой, на поверхности вашего участка вы его не увидите.
  • Многофункциональность. Система может работать как на отопление в холодное время года, так и на охлаждение в период летней жары. То есть, по сути, она заменит вам не только обогреватель, но и кондиционер.
  • Акустический комфорт. Тепловой насос работает практически бесшумно.

Выбор геотермальной системы отопления экономически выгоден, несмотря на то, что придется потратиться на покупку и установку оборудования.

Кстати, в качестве недостатка системы упоминают именно затраты, на которые придется пойти, чтобы установить систему и подготовить её к работе. Нужно будет купить сам насос и некоторые материалы, выполнить работы по монтажу наружного коллектора и внутреннего контура.

Не секрет, что ресурсы дорожают год от года, поэтому автономная система отопления, которая способна окупиться в течение нескольких лет, всегда будет экономически выгодна для её владельца

Впрочем, эти расходы окупаются всего за несколько первых лет эксплуатации. Последующее использование уложенного в грунт или погруженного в воду коллектора позволяет сэкономить значительные средства.

К тому же, сам процесс монтажа не настолько сложен, чтобы приглашать для его выполнения сторонних специалистов. Если не заниматься бурением, то всё остальное можно сделать самостоятельно.

Галерея изображений

Фото из

Внутренний блок системы, использующей тепло недр земли, включает непосредственно сам тепловой насос, отдельно установленный или встроенный в насос водонагреватель и буферную емкость

Тепловой энергии горных пород и грунтовой воды вполне достаточно для организации отопления и горячего водоснабжения загородного дома

Несмотря на реальную выгоду эксплуатации тепловых насосов, обогрев дома с применением газового котла пока обходится дешевле, но геотермальную энергию все равно применяют, к примеру, для подогрева воды в бассейне

Однако в негазифицированных районах, местечках, в которые не проведено электричество, тепловой насос с забором энергии грунтов и воды способен стать агрегатом, обеспечивающим системы ГВС и отопления

Бесплатную энергию подземной воды и горных пород разумно использовать в обеспечении теплом бытовых построек, теплиц, спортивных комплексов

Теплонасосы с забором энергии из недр земли могут служить дополнительными источниками энергии, необходимыми на случай перебоев с подачей электроэнергии

В случае перехода дома полностью на геотермальное отопление чаще всего приходится сооружать несколько контуров, для обслуживания определенных колец, например, для радиаторного отопления и теплого пола лучше задействовать два теплонасоса, а для ГВС третий

Геотермальные схемы устройства отопления превосходно сочетаются как с традиционными вариантами, так и с другими видами альтернативных источников: солнечными батареями, ветрогенераторами и прочим

Внутренний блок геотермальной системы отопления

Геотермальные источники в отоплении частного дома

Теплонасос земля-вода для подогрева воды в бассейне

Геотермальные системы в обустройстве загородных построек

Устройство геотермального отопления в теплице

Теплонасос как дополнение к основной отопительной схеме

Многоконтурная геотермальная система в частном доме

Геотермальное отопление в паре с солнечными батареями

Надо отметить, что некоторые умельцы, в стремлении сэкономить научились собирать геотермальный .

Об источниках геотермального отопления

Для геотермального отопления можно использовать следующие источники земной тепловой энергии:

  • высокотемпературные;
  • низкотемпературные.

К высокотемпературным относятся, например, термальные источники. Использовать-то их можно, но область их применения ограничивается фактическим местом нахождения таких источников.

Если в Исландии этот вид энергии активно применяется, то в России термальные воды находятся далеко от населенных пунктов. Максимально они сконцентрированы на Камчатке, где подземную воду применяют в качестве теплоносителя и поставляют в системы ГВС.

Для эффективного использования тепловой энергии земли не нужен вулкан. Достаточно использовать те ресурсы, которые находятся всего в 200 метрах от земной поверхности

Зато для применения низкотемпературных источников у нас имеются все необходимые предпосылки. Для этой цели подойдут окружающие воздушные массы, земля или вода.

Для извлечения нужной энергии используют тепловой насос. С его помощью происходит процедура преобразования температуры окружающей среды в тепловую энергию не только отопления, но и горячего водоснабжения частного домовладения.

Галерея изображений

Фото из

Забор бесплатного тепла грунтовой воды и горных пород

Наружный теплообменник системы земля-вода

Наружный теплообменник в естественном водоеме

Геотермальная скважина теплового насоса

Принцип работы такого отопления

Если вы знакомы с тем, как работает или , то схожесть этих процессов с принципом функционирования геотермального отопления очевидна. Основу системы составляет тепловой насос, который включается в два контура – внешний и внутренний.

Чтобы организовать традиционную систему отопления в любом доме, необходимо смонтировать в нем трубы для транспортировки теплоносителя, и радиаторы, при нагревании которых тепло будет поступать в помещения. В нашем случае трубы и радиаторы тоже нужны. Они и образуют внутренний контур системы. В схему могут быть добавлены .

Внешний контур выглядит гораздо масштабнее внутреннего, хотя его размеры можно оценить только в период планировки и монтажа. В процессе эксплуатации он невиден, поскольку находится под землей или под водой. Внутри этого контура циркулирует обычная вода или антифриз на основе этиленгликоля, что гораздо предпочтительнее.

В состав геотермальной системы отопления входят два контура – внутренний и внешний, а так же сердце отопительной системы – тепловой насос, который, сжимая теплоноситель, повышает его температуру (+)

во внешнем контуре прогревается до состояния среды, в которую он погружен, и отправляется в «подогретом» виде в тепловой насос. Через него сконцентрированное тепло сообщается внутреннему контуру, в результате чего вода в трубах, радиаторах и теплых полах нагревается.

Таким образом, ключевым элементом, оживляющим всю систему, является тепловой насос. Если в вашем доме есть обыкновенная стиральная машинка, то знайте: этот насос займет приблизительно аналогичную площадь.

Для работы ему нужна электроэнергия, но, потребляя всего 1 кВт, он обеспечивает выработку 4-5 кВт тепла. И это не чудо, поскольку источник «добавочной» энергии известен – это окружающая среда.

Два вида расположения теплообменника

Имеются два варианта отопления частного дома с использованием низкотемпературной энергии элементов окружающей среды. Основу системы во всех трех случаях составляет геотермальный насос.

Внутренний контур остаётся без изменений для любого способа отопления, а основное различие заключается в расположении внешнего контура.

Геотермальное отопление бывает с теплообменником, расположенным:

  • вертикально – располагаются в скважинах, вскрывающих или не вскрывающих водоносный пласт;
  • горизонтально – теплообменники систем укладывают в котлован или открытый водоем в виде своеобразного змеевика.

Каждый из приведенных здесь видов отопления характеризуется своими особенностями, недостатками и преимуществами.

Если вы намерены создать такую систему отопления собственными руками, вам будет интересно узнать о каждом из видов подробнее.

Галерея изображений

Фото из

Вертикальный способ размещения коллектора

Группа вертикальных петель коллектора теплонасоса

Внешний коллектор теплового насоса для большого дома

Горизонтальный теплозаборник насоса земля-вода

Укладка коллектора наружного блока в траншею

Установка теплообменника в виде группы корзин

Укладка трубопровода по стенкам и дну котлована

Соркращение площади зачет дополнения скважинами

Вариант #1. Вертикальное размещение внешнего коллектора

Этот вид отопления основан на интересном природном явлении: на глубине 50-100 м и более от своей поверхности земля круглогодично имеет одинаковую и постоянную температуру 10-12°С.

Чтобы иметь возможность использовать эту энергию земли, необходимо . Технология практически аналогична с подготовкой водозаборного источника.

С целью максимального сохранения ландшафта можно пробурить несколько труб с одной исходной точки, но под разными углами.

Внешний контур системы будет смонтирован непосредственно в этих скважинах. Это позволит эффективно отобрать у земли её тепло. Разумеется, этот способ трудно назвать простым и малобюджетным.

Для создания вертикальной системы геотермального отопления нужно использовать оборудование для бурения скважин, без применения буровой установки решение задач по устройству системы будет довольно трудоемким (+)

Актуален он в том случае, когда прилегающая к дому территория уже обустроена, и нарушение её ландшафта нецелесообразно. Глубина бурения скважины может достигать от 50 до 200 метров.

Конкретные параметры скважины зависят от геологической обстановки на участке и параметров будущего сооружения. Срок службы такой конструкции составляет примерно 100 лет.

Для устройства вертикального варианта системы с теплообменником, извлекающим энергию подземной воды, потребуется пробурить две водоносные скважины.

Из одной из них, именуемой дебетовой, с помощью насоса производится забор воды, которая после передачи тепла сливается во вторую, приемную выработку.

Минус геотермальной системы с двумя скважинами в недостаточной эффективности для обогрева загородного дома. Слишком много энергии тратит циркуляционный насос. Зато для поставки теплоносителя контуру теплого пола получаемой тепловой энергии вполне достаточно

Вариант #2. Горизонтальное расположение грунтового коллектора

Чтобы уложить внешний контур при горизонтальном виде отопления, нужно знать, на какую глубину промерзает земля в вашей местности.

Трубы укладывают ниже уровня промерзания в заранее подготовленные траншеи, захватывая при этом довольно большое пространство: чтобы отопить дом, площадь которого составляет 200-250 кв. м, нужно использовать примерно 600 кв. м теплообменника. То есть шесть соток.

Недостатком этой конструкции является большая площадь, которую она занимает. Если вам нужна на участке лужайка, покрытая травой и цветами – это ваш вариант. А от плодоносящих деревьев трубы коллектора лучше держать подальше (+)

Понятно, что при таких условиях, объём земляных работ будет значительным. Кроме того, нужно учесть в плане расположение деревьев и прочей растительности на участке, чтобы не заморозить их. Например, нельзя располагать трубы коллектора ближе, чем в полутора метрах от деревьев.

Этот способ монтажа используют, как правило, в тех случаях, когда участок только осваивается под строительство. Все расчеты и планы по постройке коттеджа, организации его отопления и планировке земельного участка лучше всего выполнять одновременно.

Галерея изображений

Фото из

Укладка теплозаборного коллектора в котлован

Подсоединение коллектора к трубам выхода и входа в дом

Подключение к накопительному водонагревателю

Обустройство площадки с внешним коллектором

Погружение горизонтального теплообменника в водоём

Этот способ требует особого расположения домовладения – на расстоянии примерно в 100 м от водоёма, имеющего достаточную глубину. Кроме того, указанный водоём не должен промерзать до самого дна, где и будет расположен внешний контур системы. А для этого площадь водоёма не может быть меньше 200 кв. м.

Этот вариант размещения теплообменника считается наименее затратным, но подобное расположение домовладения все-таки встречается не часто. Кроме того, могут возникать сложности, если водоём относится к объектам общего пользования

Очевидным преимуществом этого метода является отсутствие обязательных трудоёмких земляных работ, хотя с подводным расположением коллектора все-таки придется повозиться. И специальное разрешение на проведение таких работ тоже понадобится.

Впрочем, геотермальная установка, использующая энергию воды, все-таки является наиболее экономичной.

Своими руками: что и как

Если уж и монтировать геотермальное отопление своими руками, то внешний контур лучше все-таки купить в готовом виде. Конечно, мы рассматриваем лишь способы горизонтального расположения внешнего теплообменника: под поверхностью почвы или под водой.

Скважинный вертикальный коллектор смонтировать самостоятельно гораздо сложнее, если вы не обладаете оборудованием и навыками бурения.

Тепловой насос – не слишком габаритное оборудование. В вашем доме он не займет много места. Ведь по размеру он сопоставим, например, с обычным твердотопливным котлом. Подключить к нему внутренний контур вашего дома – задача несложная.

Вообще-то делается всё точно так же, как и при организации и с использованием традиционных источников тепла. Главная трудность – устройство внешнего контура.

Такое расположение дома относительно пруда встречается чаще. Главное, чтобы водоём был не дальше, чем в 100 метрах от коттеджа

Лучшим вариантом будет использование водоёма, если такой найдется на расстоянии не более 100 м. Необходимо, чтобы его площадь превышала 200 кв. м, а глубина – 3 м (средний параметр промерзания). Если этот водоём вам не принадлежит, то проблемой может стать получение разрешения на его использование.

Если же водоём – это пруд, который находится у вас в собственности, то дело упрощается. Воду из пруда можно временно откачать. Тогда работы на его дне можно будет выполнять легко: нужно будет уложить трубы по спирали, закрепив их в этом положении.

Земляные работы понадобятся только для рытья траншеи, которая нужна будет для присоединения внешнего контура к тепловому насосу.

После выполнения всех работ, пруд может быть снова заполнен водой. В ближайшие лет сто внешний теплообменник должен работать исправно и не доставлять хлопот его владельцу.

Если в вашем распоряжении оказался земельный участок, на котором вам только предстоит возводить жильё и растить сад, имеет смысл распланировать горизонтальный теплообменник грунтового типа.

Для этого следует сделать предварительный расчет площади будущего коллектора, исходя из параметров, которые уже указаны выше: 250-300 кв. м коллектора на 100 кв. м отапливаемой площади дома.

Если вам достался участок без строений и растительности, которую бы хотелось сохранить, грунт при сооружении внешнего горизонтального почвенного контура можно просто снять: это легче, чем выкапывать траншеи

Траншеи, в которые предстоит укладывать трубы контура, нужно выкапывать ниже уровня промерзания почвы.

А ещё лучше – просто снять грунт на глубину его промерзания, уложить трубы, а после вернуть грунт на место. Работа трудоёмкая, сложная, но, имея большое желание и целеустремленность, вы сможете её выполнить.

Затраты и перспективы окупаемости

Расходы на оборудование и его монтаж в процессе сооружения геотермального отопления зависят от мощности агрегата и от производителя.

Производителя каждый выбирает, руководствуясь собственными соображениями и сведениями о репутации и надежности того или иного бренда. А вот мощность зависит от площади помещения, которое предстоит обслуживать.

В этом рисунке кратко отражена вся суть выгоды, получаемой от применения геотермальной отопительной системы. Именно такое соотношение входящей и исходящей энергии позволяет система сначала быстро окупиться, а потом и экономить средства своего владельца (+)

Если брать в расчет именно мощность, то стоимость тепловых насосов колеблется в следующих диапазонах:

  • на 4-5 кВт – 3000-7000 условных единиц;
  • на 5-10 кВт – 4000-8000 условных единиц;
  • на 10-15 кВт – 5000-10000 условных единиц.

Если к этой сумме мы прибавим затраты, которые нужны на выполнение монтажных работ (20-40%), то мы получим сумму, которая для многих покажется абсолютно нереальной.

Но все эти затраты окупятся за вполне приемлемые сроки. В дальнейшем же вам придется оплачивать лишь незначительные расходы на электричество, необходимое для работы насоса. И это всё!

Из-за недостаточной для обогрева жилых строений эффективности геотермальных систем их используют в качестве дополнения к основным отопительным сетям или сооружают комплексно с двумя и более теплообменниками

Как показывает практика, геотермальное отопление особенно выгодно для домов, общая отапливаемая площадь которых составляет 150 кв. м. За пять-восемь лет все затраты на обустройство систем отопления в этих домах полностью окупаются.

Если геотермальное отопление не особо востребовано среди собственников частных домов, то эффективность гелеосистем уже оценили жители южных регионов. Технология  достаточна проста, а ее экономичность и практичность подтверждена многолетним опытом использования западными странами и нашими соотечественниками.

Дополнительная информация об альтернативных источниках энергии представлена в .

Выводы и полезное видео по теме

Если вам проще воспринимать наглядную информацию, то этот видеоролик позволит вам своими глазами увидеть, как именно функционирует геотермальная система, а также больше узнать о том, кому и почему этот вид отопления выгоден.

Предлагаем вам посмотреть небольшой видеоролик, в котором владелец горизонтального подпочвенного коллектора, расскажет о своих впечатлениях от его эксплуатации. Кроме того, посмотрев это видео, вы узнаете о текущих расходах, связанных с эксплуатацией системы геотермального отопления.

Каждый владелец частного дома выбирает сам, покупать ли ему услуги ресурсоснабжающих организаций или надеяться только на себя самого. При этом он руководствуется целым списком соображений.

Цель, которую мы перед собой поставили, заключается не в том, чтобы подтолкнуть вас к готовому выводу, а в том, чтобы поделиться информацией о вариантах решения стоящей перед вами задачи.

Есть, что дополнить, или возникли вопросы по теме геотермального отопления частного дома? Можете оставлять комментарии к публикации. Форма для связи находится в нижнем блоке.

Геотермальное отопление своими руками: как сделать обогрев

Все знают, что геотермия является теплом Земли, а термин «геотермальный» часто ассоциируется с вулканами и гейзерами. В России геотермальная энергетика применяется в промышленных целях, к примеру, существуют дальневосточные электростанции, которые функционируют засчет тепла Земли.

Геотермальное отопление

Многие уверены, что геотермальное отопление дома своими руками является чем-то нереальным. Но это не так! С развитием современных технологий это стало реальность. Давайте вместе определим методы работы альтернативного отопления, его преимущества и минусы перед традиционным вариантом, а также как установить геотермальную систему отопления своими руками.

Преимущества и минусы

Если в России геотермальное отопление частного дома получило небольшое распространение, значит, эта идея не стоит затрат на реализацию? Применение системы геотермального отопления дома является выгодным решением. И на это есть множество причин:

  • моментальный монтаж оборудования, которое может долгое время функционировать без сбоев. Если применять в отопительной системе антифриз высокого качества, то вода не будет замерзать, а износ будет минимальным;
  • исключается процесс сжигания топлива. Получается полностью пожаробезопасная система, которая на момент использования не наносит вреда жилью;
  • исключаются другие моменты, связанные с наличием топлива: не нужно искать место для его хранения, заготавливать и осуществлять доставку;
  • акустический комфорт. Тепловой насос функционирует без звуков;
  • экономическая выгода. На момент использования системы не нужны дополнительные вложения. Ежегодный обогрев осуществляют природные силы, за которые люди не платят деньги;
  • экологическая составляющая. Геотермальное отопление частного дома является экологически безопасным решением. Отсутствие процесса горения предотвращает поступление в атмосферу продуктов сгорания. Если это поймут многие и такая система получит общее распространение, отрицательное воздействие людей на природу намного снизится;
  • компактность установки. Вам не придется искать в своем доме специальное место для установки или организовывать котельную. Все, что требуется – это тепловой насос, который можно разместить в подвале. Объемный контур устройства будет находиться под землей или водой, на поверхности участка его не будет видно;
  • многофункциональность. Система может функционировать в качестве отопления в холодное время года, так и в качестве охлаждения летом. Она заменит вам не только обогреватель, но и кондиционер. Покупка геотермальной отопительной системы экономически выгодна, несмотря на то, что придется выложить кругленькую сумму за покупку и установку систему.

Единственным минусом считается наличие расходов, с которыми придется столкнуться при установке системы и подготовки ее к работе. Необходимо будет приобрести насос и некоторые материалы, сделать монтаж внешнего коллектора и внутреннего контура.

Но все эти затраты окупаются в течение нескольких лет. Последующее применение уложенного в землю или погруженного в воду коллектора позволяет сэкономить намного больше средств. Сам процесс установки не настолько сложен, чтобы обращаться за помощью к сторонним специалистам. Если не делать бурение, то все остальное можно сделать своими руками.

Ресурсы геотермального отопления

В качестве геотермального отопления можно применять следующие ресурсы земной тепловой энергии: высокотемпературные и низкотемпературные. К высокотемпературным принято относить термальные источники. Их можно применять, но сфера их использования ограничивается фактическим местом нахождения таких источников.

Если в Исландии этот тип энергии активно используется, то в России терминальные воды расположены далеко от населенных пунктов. Больше всего их на Камчатке, где подземную воду используют в качестве носителя тепла и поставляют в системы ГВС. Зато для использования низкотемпературных источников в России есть все необходимое.

Для такой цели прекрасно подойдут окружающие воздушные массы, вода, земля. Чтобы получить необходимую энергию, применяется тепловой насос. Благодаря ему осуществляется процесс трансформации температуры окружающей среды в тепловую энергию не только отопления, но и горячего водоснабжения частого дома.

Как работает альтернативное отопление?

Если вы знаете метод работы кондиционера или холодильника, то схожесть этих процессов с методом работы геотермального отопления налицо. В основе системы лежит тепловой насос, который работает в два контура – внешний и внутренний. Чтобы сделать традиционную отопительную систему в любом доме, нужно установить в нем трубы для подачи теплоносителя и радиаторы, при нагреве которых тепло будет идти в помещения.

В случае с геотермальным отоплением трубы и и радиаторы также необходимы. Они формируют внутренний контур устройства. В схему могут быть добавлены теплые полы. Внешний контур смотрится гораздо объемнее внутреннего, хотя его габариты можно оценить только в момент планировки и установки. На момент использования он не виден, так как расположен под грунтом или водой. Внутри этого контура циркулирует простая вода или антифриз на базе этиленгликоля.

Теплоноситель во внешнем контуре греется до температуры среды, в которую он помещен, и отправляется в нагретом состоянии в тепловой насос. Через него сконцентрированное тепло передается внутреннему контуру, в итоге вода в трубах, радиаторах и теплых полах нагревается. Главным моментом, который запускает всю систему, считается тепловой насос.

Если у вас в доме стоит стиральная машина, то насос займет примерно подобную площадь. Для работы ему необходима электроэнергия, но, используя всего 1 кВт, он вырабатывает до 4-5 кВт тепла. И тут нет ничего удивительного, так как источник дополнительной энергии уже известен – окружающая среда.

Два способа расположения теплообменника

Существует два способа расположения систем отопления частного дома с применением низкотемпературной энергии деталей окружающей среды. В основе системы во всех трех случаях лежит геотермальный насос. Внутренний контур остается неизменным для любого типа отопления, а главное отличие состоит в расположении внешней контура.

Геотермальное отопление может быть с теплообменником, который находится вертикально или горизонтально. Горизонтальные теплообменники систем устанавливаются в котлован или открытый водоем в виде особого змеевика, вертикальные – в скважины.

Любой из приведенных здесь вариантов отопления характеризуется своими особенностями, достоинствами и минусами. Если вы хотите создать такую отопительную систему самостоятельно, вам будет интересно узнать информацию о каждом из них.

Вариант 1: вертикальное расположение внешнего коллектора

Этот вариант отопления базируется на интересном природном явлении: на глубине 50-100 метров от своей поверхности земля в течение года обладает одинаковой и постоянной температурой 10-12 градусов. Чтобы применять эту энергию земли, нужно делать бурение вертикальных скважин.

Для максимального сохранения ландшафта можно сделать бурение нескольких труб с одной исходной точки, но под различными углами. Внешний контур устройства будет установлен в этих скважинах. Это поможет продуктивно взять у земли ее тепло. Такой вариант сложно назвать легким и бюджетным. Разумно его использовать тогда, когда прилегающая к дому местность уже обустроена, и нарушение ее ландшафта нерационально.

Вертикальное расположение внешнего коллектора

Глубина бурения скважины может составлять от 50 до 200 метров. Окончательные габариты скважины зависят от геологической обстановки на территории и параметров будущей постройки. Срок эксплуатации такой системы составляет 100 лет. Для установки вертикального типа системы с теплоносителем, который берет энергию подземной воды, необходимо сделать бурение двух водоносных скважин.

Вариант 2: горизонтальное расположение земляного коллектора

Чтобы установить внешний контур при горизонтальном варианте отопления, необходимо знать, как глубоко промерзает земля на вашей территории. Трубы устанавливаются ниже уровня промерзания в предварительно вскопанные траншеи, охватывая довольно большую площадь: чтобы прогреть дом площадью 200-250 квадратных метров, необходимо применять 600 квадратных метров теплообменника, то есть, шесть соток.

Установка горизонтального теплоносителя в водоем

Данный вариант нуждается в особом расположении дома – на расстоянии в 100 метрах от водоема, который имеет достаточную глубину. Более того, водоем не должен промерзать до самого дна, где будет находиться наружный контур устройства. Для этого размер водоема не может быть меньше 200 квадратных метров.

Основным достоинством этого способа считается отсутствие нужных объемных земляных мероприятий, хотя с подводной установкой коллектора придется немного повозиться. Также потребуется специальное разрешение на выполнение таких работ. Геотермальная установка с использованием энергии воды считается наиболее экономичной.

Как установить своими руками?

Если вы решили установить геотермальное отопление своими руками, то наружный контур лучше приобрести в готовом варианте. Скважинный вертикальный коллектор установить самому тяжелее, если вы не имеете оборудование и не обладаете знаниями бурения.

Тепловой насос – не очень объемное устройство. В вашем доме он не займет много места. Подключение к нему внутреннего контура осуществляется так же, как и при организации отопления с применением традиционных ресурсов тепла. Основная проблема – организация внешнего контура.

Идеальным вариантом будет применение водоема на расстоянии не более 100 метров. Нужно, чтобы его площадь была больше 200 квадратных метров, а глубина – 3 метра. Если такой водоем вам не принадлежит, то проблемой может служить получение разрешения на его применение. Если водоем является прудом, находящимся в вашем распоряжении, то дело упрощается.

Система геотермального отопления с горизонтальным теплообменником в водоёме

Воду из пруда можно на время откачать. Тогда все действия на его дне могут выполняться просто: необходимо будет установить трубы по спирали, зафиксировав их в этом положении. Земляные мероприятия потребуются лишь для копания ямы, которая необходима для присоединения внешнего контура к тепловому насосу. После проведения всех мероприятий пруд можно снова заполнить водой.

В ближайшие 100 лет внешний теплоноситель должен функционировать правильно и не доставлять хлопот. Если у вас есть земельный участок, на котором вы планируете строить дом и разбивать сад, тогда можно установить горизонтальный теплоноситель земляного типа. Для этого необходимо правильно рассчитать площадь будущего коллектора, опираясь на показатели, которые были отмечены выше: 250-300 квадратных метров коллектора на 100 квадратных метров отапливаемой площади дома.

Траншеи, в которые планируется устанавливать трубы контура, необходимо выкапывать ниже уровня промерзания почвы. А лучшим вариантом будет снять землю на глубину его промерзания, установить трубы, а после вернуть на место землю. Работа сложная, но при наличии большого желания и целеустремленности вы сможете ее сделать.

YouTube responded with an error: The request cannot be completed because you have exceeded your <a href="/youtube/v3/getting-started#quota">quota</a>.

Загрузка…

принцип работы из земли и как своими руками

Варианты альтернативных способов отопления дома приобретают все большую популярность. Возрастающие цены на топливо, тарифы на электроэнергию заставляют хозяев особняков задумываться о снижении расходов на содержание дома. И если в квартире у человека особого выбора нет, то частник может оборудовать геотермальное отопление дома. Система потребует значительных затрат, но будет исправно служить до полутора сотен лет.

Что такое геотермальное отопление?

Это тепло, добываемое из земли или воды. На определенных глубинах грунта сохраняется плюсовая постоянная температура, причем перепадов не бывает даже в лютые морозы, то же самое с водой. Задача человека взять тепло из земли или воды, отправив его на обеспечение комфорта в жилых комнатах.

Геотермальное отопление представляет собой обычный холодильник, но наоборот – система вырабатывает не холод, а тепло. Алгоритм насоса выстроен на передаче тепла от источника с небольшим потенциалом тепловой энергии к теплоносителю, а грунт или вода выступают активными источниками тепла.

Преимущества и недостатки системы

Геотермальное отопление обладает рядом преимуществ:

  1. Выделение тепловой энергии во много раз превышает затраты на электричество, потребляемое насосом.
  2. Экологическая чистота и безопасность. Система не выделяет вредных веществ, нет выбросов, шлака после сгорания топлива.
  3. Не нужно закупать топливо, газ, вся работа конструкции выстроена без применения химических и иных веществ, поэтому отопление теплом земли или воды считается самым безопасным.
  4. При соблюдении технологии монтажа, эксплуатации, оборудование и вся система отопления прослужит без технической поддержки минимум 50 лет.
  5. Тепловой насос работает бесшумно, нет акустических эффектов.

Максимальная экономическая выгода достигается отсутствием дополнительных вложений. Пользователю нужно один раз закупить все оборудование, настроить конструкцию и больше не придется вмешиваться в работу системы. Дополнительным преимуществом является расположение всех элементов вне строения – отопление из земли или воды не требует размещения в доме габаритных установок, поэтому способ добычи и подачи тепла подходит для домов любого размера.

На заметку! Система работает в любое время года вне зависимости от степени заморозков, причем в летнюю жару конструкция работает как кондиционер.

Недостатком считается большой объем разовых затрат на покупку оборудования, установку и запуск системы в работу. Для формирования конструкции требуется насос, некоторое количество материалов, монтаж наружного коллектора и внутреннего контура.

Рекомендуем к прочтению:

Источники и принцип работы термального отопления

Для формирования отопления используются высокотемпературные и низкотемпературные источники грунтовой тепловой энергии. К первым относятся термальные источники с горячей водой, но встречается такой вид редко. Ко вторым можно отнести все прочие источники – воздух, землю, воду.

Энергия добывается посредством специального оборудования. Отопление тепловым насосом предусматривает монтаж прибора на поверхности, а теплообменник опускается в шахту, таким образом теплоноситель во внешнем контуре прогревается до температуры окружающей среды, в которую он заглублен, подается в тепловой насос. А отсюда концентрированное тепло транспортируется по трубопроводам и радиаторам в комнатах.

Габариты теплового насоса сравнимы с размерами обычной стиральной машины, для питания агрегату нужна электроэнергия. На 1 кВт потребления электричества насос вырабатывает до 5 кВт тепла.

Виды геотермальных установок

Разобравшись с тем, что такое геотермальное отопление дома, принципом работы оборудования, рассмотрим виды систем.

Всего различается 3 типа установок:

  • Земля-вода считается наиболее эффективной системой для отопления жилых помещений. Принцип работы сводится к потреблению тепла из грунта посредством зондов, коллекторов и передачи энергии в систему отопления с водным теплоносителем.

Рекомендуем к прочтению:

  • Вода-вода применяет в качестве энергии тепловодного ресурса. Для обеспечения функциональности системы нужен источник (пруд, река, озеро). Специалисты отмечают, что такая конструкция является самой стабильной по температурным показателям.
  • Воздух-воздух использует для работы неограниченный и доступный природный запас. Функциональность системы обеспечивается вентиляторами, испарителями, соединенными в один комплекс. Наибольшая эффективность достигается при показателях температуры до -15 С, при похолодании воздуха часть мощности системы теряется.

Варианты расположения теплообменников

Различается геотермальное отопление за счет тепла земли по расположению оборудования. Теплообменник может устанавливаться вертикально и горизонтально. При горизонтальном монтаже выкладка осуществляется в котлован или на дно водоема, укладка в форме змеевика. Вертикальный монтаж теплообменников – это установка оборудования в шахтах или скважинах.

Рассмотрим подробнее оба варианта:

  1. Вертикальное размещение требует заглубления на 50-100 метров, где круглогодичная температура грунта не бывает ниже +10 С. Для установки теплообменника пробуриваются скважины, где формируется внешний контур системы. Глубина шурфа может достигать 200 м, параметры скважины будут зависеть от индивидуальных геологических показателей местности. Срок службы системы от 100 лет. Если вертикальное размещение предполагает отбор тепла у воды, то бурятся 2 водоносные скважины, из дебитовой забирается жидкость, которая после отработки в системе отопления сливается во вторую, приемную скважину.
  2. При горизонтальном размещении коллектора будет много земляных работ, причем сначала требуется выяснить точку промерзания грунта. Трубопроводы выкладываются ниже точки промерзания, для чего выкапываются траншеи. Площадь обработки грунта для формирования системы велика, например, для дома в 250 м2 нужно задействовать примерно 600 м2 теплообменника, то есть 6 соток.

На заметку! Вертикальный вариант подходит для наделов с благоустроенным ландшафтом, так как не требует большого объема земляных работ, а горизонтальный удобнее использовать при начале строительства дома, предварительной расчистке участка от зеленых насаждений.

Как сделать геотермальный агрегат своими руками?

Зная, что такое отопление от земли, как работает система, рассмотрим способы изготовления приборов самостоятельно:

  • Из старого холодильника. Сначала нужно снять змеевик, он расположен сзади агрегата и будет исполнять роль конденсатора. Змеевик нужно установить в прочную емкость из материала, стойкого к низким, высоким температурам, агрессивным воздействиям. Теперь на конструкцию следует закрепить компрессор, а как испаритель использовать пластиковую бочку. Вся система соединяется, а потом агрегат дополняется полимерными трубами, которые подключены к системе отопления дома, можно запускать оборудование в работу.
  • Из кондиционера. Агрегат нужно модифицировать, поменяв местами наружный и внутренний блоки. Испаритель тут не нужен вообще, так как он уже есть во внутреннем модуле, а передающий тепловую энергию конденсатор установлен во внешнем модуле. Теплоносителем может быть вода, воздух. Система требует оснащения четырехходовым клапаном, который нужно ставить строго по схеме, поэтому для работы лучше пригласить специалиста.

Совет! Если дома есть старый кондиционер, то его следует разобрать на детали, затем скомплектовать насос по обычной системе с испарителем, компрессором, конденсатором – такое геотермальное отопление для дома своими руками обойдется довольно дешево.

При отсутствии навыков или деталей тепловой насос можно купить в магазине, но стоит оборудование дорого, а учитывая дополнительные затраты на элементы отопления, мастера предпочитают собирать агрегат из подручных материалов, докупая нужные детали.

Примерные затраты и окупаемость системы

Выбирая термальное отопление, принцип работы которого уже известен, хозяева должны знать, что потребуются определенные вложения. Марка оборудования подбирается по требованиям пользователя, цена агрегатов зависит от множества факторов, например, мощности.

Аппараты на 4-5 кВт оцениваются от 3000-7000$, на 5-10 кВт стоят 4000-8000$, на 10-15 кВт уже 5000-10000$. Плюс 40-50% от суммы составят расходы на монтажные работы и запуск системы. На выходе получается весьма внушительный объем затрат. Но все они окупятся примерно через 3-5 лет, а потом остаются только счета за электричество, которое будет потреблять тепловой насос.

Установка геотермального отопления, заказать монтаж геотермального отопления в Перми недорого

Компания «Эксперт Тепла» предлагает монтаж геотермального отопления домов «под ключ» по лучшей стоимости в Перми. Все работы, начиная от разработки проекта, заканчивая установкой системы и постгарантийным обслуживанием, выполняются опытными инженерами с учетом действующих требований СНиП и СанПиН. Работая по новейшим технологиям, мы обеспечили недорогим теплом свыше 300 объектов, среди которых частные дома, административные здания, складские помещения, туристические базы.

Принцип действия геотермальной системы

Геотермальное отопление – альтернативный способ обогрева домов за счет тепла, извлекаемого из земли или воды. Система состоит из нескольких компонентов:

  • магистральный трубопровод.
  • геотермальный насос;
  • отопительная система с радиаторами.

Тепловая энергия поглощается теплоносителем трубопровода, расположенным во внешнем зонде, который затем подается в пластинчатый теплообменник. Под его действием нагревается сжатый хладагент и переходит в парообразное состояние, после чего направляется в компрессор, где вновь сжимается до жидкого состояния. Горячий хладагент поступает в другой теплообменник, где нагревает воду системы отопления. Экономический эффект геотермальной установки высок: нужна лишь электроэнергия для функционирования компрессора! Обычно, затраты не превышают 20% от себестоимости получаемой на выходе тепловой энергии.

Преимущества геотермальной системы отопления

Обогрев домов энергией земли – инновационное направление в области теплоэнергетики, плюсы которого успели оценить сотни наших клиентов:

  1. Энергоэффективность. Грамотный подбор и монтаж теплового насоса обеспечивает КПД геотермальной системы отопления до 500%! Причем показатель производительности не зависит от времени года и погодных условий.
  2. Долгий срок службы. Геотермальная установка способна прослужить до 30 лет, не требуя сервисного обслуживания. При необходимости изношенные детали без труда меняются.
  3. Экологичность. Работая за счет природной энергии, геотермальный контур не потребляет топлива, поэтому не образует вредных выбросов и не нуждается в установке дополнительной вентиляции.

Геотермальный теплообменник способен работать как на обогрев, так на охлаждение зданий. Во время летней жары можно включить обратный режим: тепло будет уходить в землю, тем самым охлаждая комнаты. Геотермальный контур превосходно комбинируется с «теплым полом», обеспечивая равномерный нагрев всей его поверхности. Такое сочетание подходит для больших коттеджей площадью от 100 кв. метров, позволяя снижать расходы на обогрев помещений в 2-3 раза. В этом случае стоимость геотермального отопления увеличивается, но денежные вложения, учитывая постоянное повышение цен на энергоносители, окупаются через несколько лет.

Геотермальное отопление дома в Перми

Наша компания специализируется на установке геотермального отопления дома «под ключ» двумя способами:

  1. Горизонтальная укладка

    Трубопровод размещается под землей в горизонтальном положении на уровне более низком, чем глубина промерзания грунта. Горизонтальный теплообменник имеет достаточно простую конструкцию, но его монтаж требует больших площадей. В зависимости от мощности теплового насоса, длина внешнего геотермального контура может достигать 400-500 метров. Поэтому его обустройство экономически не выгодно на маленьких участках и на территориях, где растет большое количество деревьев (трубы в контуре должны находиться на расстоянии 1,5 метров до ближайшего дерева). В этом случае приходится прибегать к многоуровневой закладке труб в несколько рядов, располагая их, на высоте 70-100 см друг от друга.

  2. Вертикальная укладка

    Вертикальный теплообменник предполагает размещение геотермального контура в скважине глубиной 50-200 метров. Он получается более компактным и эффективным, поскольку грунт на больших глубинах круглогодично сохраняет температуру 10-12 градусов. Однако его обустройство выходит более дорогим из-за затрат на бурение скважин, оплату бурильного оборудования и труда профильных специалистов. Вертикальный контур все же имеет существенный плюс – не требует больших площадок, позволяет сохранить ландшафт загородного участка вместе с возведенными на нем хозяйственными постройками.

Стоимость геотермального отопления «под ключ»

Итоговые расходы на установку геотермального отопления дома определяются на предварительном этапе и включают:

  • бурение скважин;
  • изготовление геозондов;
  • прокладку траншей;
  • опрессовку и установку геозондов;
  • сборку коллектора;
  • обвязку внутреннего контура;
  • обустройства котла;
  • монтаж насосной группы.

В расчет входят затраты на покупку геотермального насоса с полипропиленовыми трубами, запорно-регулирующей арматурой, расходными материалами для обвязки, теплоносителем (тосолом или антифризом). Подбор нужного оборудования проводится с учетом объема обогреваемых помещений, степени утепления коттеджа, среднестатистических температур климатической зоны. Наши сотрудники помогут выбрать надежные материалы и комплектующие, способные прослужить не один десяток лет.

Как мы работаем

Наша компания в максимально сжатые сроки устанавливает геотермальное отопление домов «под ключ», соблюдая ряд этапов:

  1. Выезд эксперта по адресу. Инженер на месте возьмет пробу грунта, определит особенности местности, предложит оптимальный вариант теплообменника.
  2. Заключение договора. Перед его подписанием с заказчиком обговаривается объем работ, рассчитывается итоговая сумма заказа, которая в дальнейшем остается неизменной.
  3. Монтажные работы. Установка и обустройство геотермальной системы отопления проводится опытными сотрудниками по действующим стандартам безопасности.
  4. Пуско-наладка. Перед сдачей проекта выполняется пробный запуск, если выявляются недостатки, осуществляется ручная настройка узлов.
  5. Подписка акта о сдаче. Подготовленный к эксплуатации геотермальный контур проверяется, затем запускается в присутствии заказчика. По окончании работ подписывается акт о сдаче.

Интересует стоимость геотермального отопления? Оставьте заявку на сайте, заполнив онлайн-форму, – наш сотрудник вышлет предварительные расчеты на вашу электронную почту.

Геотермальное отопление | Лаборатория Дома

Услышав слова “геотермальное отопление”, большинство из нас представляют себе гейзеры Камчатки или кипящие ручьи Земли Санникова. Однако за этим  пока экзотическим термином кроется уже вполне прозаическое содержание: речь пойдет об еще одном способе отопления и горячего водоснабжения Вашего дома. Он заключается в использовании тепловой энергии ,накопленной в почве , для отопления  жилья. В основу геотермальной  системы положен физический процесс передачи тепла из окружающей среды к хладагенту, схожий с тем,  что происходит в холодильнике,  только наоборот .

Тепловой насос это повышающий трансформатор теплоты , который в прямом смысле слова перекачивает тепловую энергию от источника низкого температурного потенциала к источнику более высокого , но все же достаточно умеренного потенциала. Анализ и практика показывает , что тепловые насосы дают от 70 до 80 процентов экономии энергоресурсов по сравнению с производством теплоты , основанном на прямом сжигании топлива .

Что такое тепловой насос? Это прибор , который буквально выкачивает из земли или воды и направляет его в систему отопления и горячего водоснабжения . При работе теплового насоса энергия тратится не на  прямой нагрев системы отопления , а на перекачку тепла из окружающей среды в дом. Таким образом , основное преимущество теплового насоса перед привычными способами отопления – экономичность. Прибор потребляет на 80 процентов меньше энергии, чем , например , традиционные электрокотлы. Но кроме экономии владелец теплового насоса получает комфорт . Прибор оснащен климатконтролем и работает в автоматическом режиме. Экологичность – отсутствуют какие-либо выбросы в окружающую среду. Удобство при установке – монтаж не требует никаких согласований и бумажной волокиты. Безопасность – в тепловом насосе ничего не горит . Он взрыво- и пожаробезопасен. Кроме того работой насоса можно управлять на расстоянии при помощи интернета или телефона .  Надежность — минимум подвижных частей с высоким ресурсом работы. Независимость от поставки топочного материала и его качества. Практически не требует обслуживания. Срок службы теплового насоса составляет 15–25 лет; Примечательно, что летом тепловой насос работает наоборот: из под земли в дом поступает прохлада, а тепло возвращается назад. Именно поэтому работу геотермального насоса нередко сравнивают с кондиционерами реверсионного типа.

Система геотермального отопления состоит из теплового насоса и магистралей. Они укладываются под землей (в грунте или скважинах), либо по дну водоемов. Трубы геотермальной системы могут быть проложены под грунтом, по дну водоема и внутри скважины. В связи с этим оно подразделяется на геотермальное отопление с горизонтальным, водоемным и вертикальным контурами.

 


В первом случае магистрали укладываются в землю на глубину ниже промерзания почвы (в зависимости от климатических условий региона). При этом требуется достаточно большая площадь. Так, для обогрева помещения в 200-300  квадратных метров, нужен участок площадь которого составляет 500-600 квадратных метров.

Второй вариант – энергетичекие корзины. Энергетические корзины используются в случае невозможности глубокого бурения или устройства фундаментов глубокого заложения по причине условий водного законодательства или гидрологическим причинам, либо недостатка свободного места. Энергетическая корзина является экономически и энергетически довольно эффективной альтернативой в сфере использования термальной энергии. прокладываемые по дну водоема. Это самый экономически выгодный способ геотермального отопления, так как меньше первоначальные вложения и больше эффективность. Но озера и реки глубиной более 2 метров есть далеко не везде.

Третий вид геотермальных отопительных систем, напротив, очень дорогостоящий. Бурение скважин, для которого необходима специальная техника, стоит недешево. А скважину нужно пробурить минимум на 30 метров (в зависимости от рельефа), В тверской области примерно 40-70 метров. Зато не требуется большой площади.  

Примечательно , что максимальную пользу такой метод геотермального отопления частного дома принесет в том случае, если в нем установлена система теплых полов. Это объясняется тем, что система теплый пол использует для нагрева теплоноситель со средней температурой в 35-55 градусов, прогревая помещения за счет большой площади обогревателя, а не за счет его высокой температуры. В то же время теплоноситель в системах геотермального отопления редко когда удается нагреть выше 60 градусов, что идеально подходит для «теплых полов», а вот для обычного радиаторного отопления такой температуры недостаточно, хотя при довольно качестенно утепленом доме этого вполне будет достаточно.

Вот несколько фотографий тепловых насосов компании-партнера  (Германия) :

  

каталог оборудования  можно скачать и посмотреть здесь Каталог STE ТН_2015 , а стоимость оборудования и монтажа уточнить по телефонам у наших инженеров и менеджеров.

и фото энергетической корзины

 

К вышесказанному предлагаем посмотреть ролик про автономное отопление с помощью тепловых насосов

сертификат Uponor и Stiebel Eltron — геотермальные системы  


тепловой насос воздух вода
тепловой насос воздух воздух
тепловой насос воздух-вода цена
тепловой насос вода вода
тепловой насос воздух-воздух цена
тепловой насос вода вода цена
тепловой насос воздух-вода своими руками
тепловой насос воздух воздух купить

Продажа и монтаж теплового насоса в Твери, Ржеве, Конаково, Осташкове, Селигере, Игуменке, Завидово.

 

 

  • Тепловые насосы Stibel Eltron

График работы

Пн- Пт:  9.00-18.30

Сб:      10.00-17.00

Вс:         Выходной

 

Опрос

Какой котёл Вы приобрели или хотели бы приобрести

Компания «Тепло Земли» — Обогрев домов, коттеджей, таунхаузов теплом, накопленным в недрах

Проектирование, подбор и монтаж геотермального отопления

Наши предки давно научились использовать тепло земли, сначала — живя в пещерах, где зимой значительно теплее, чем на открытом воздухе, а затем, обустраивая погреба и подвалы, где круглый год плюсовая температура. Современные технологии позволяют нам использовать эту энергию на новом уровне.

Мы производим расчет, подбор и монтаж систем геотермального отопления и горячего водоснабжения загородных домов.

Капитальные затраты сопоставимы с затратами на врезку в существующий газопровод, проходящий по границе участка. Затраты на обогрев при помощи теплового насоса сравнимы с затратами на  обогрев природным газом.

Геотермальное отопление — это отопление дома теплом, накопленным в грунте за счёт энергии Солнца и энергии, поступающей из земных недр.

Все мы в школе проходили второй закон термодинамики, но большинство его забыли за ненадобностью применения в повседневной жизни. А звучит он так: «Передача тепла от менее нагретого тела к более нагретому без совершения работы — невозможна». Можно сказать другими словами: «Чтобы передать тепло от менее нагретого тела — более нагретому, нужно совершить работу». Для этого и нужен тепловой насос, чтобы эту работу совершать. В результате, на 1 киловатт затраченной электрической энергии мы можем получить до 5,2 киловатт тепловой.

Не требуется никаких согласований в газовых, противопожарных и прочих службах. Технология не разрушает существующего ландшафта (отсутствует необходимость прокладки траншей, установки столбов и проч.). Не требуется периодического подвоза какого либо топлива (угля, сжиженного газа, дров). Ввиду отсутствия источников огня, продуктов горения — не требует обустройства дымоходов, периодической выгрузки и утилизации золы. В стоимость входит оборудование и монтаж системы «под ключ» без разводки по дому. Т.е. результатом является установленное в техническом помещении дома оборудование, готовое к подключению к внутренним сетям дома. Монтаж сетей внутри дома оговаривается дополнительно.

Солнечные коллекторы своими руками

Разве вы не хотели бы отапливать дом с помощью бесплатной энергии солнца? Существуют простые, недорогие, самостоятельные солнечные проекты, которые могут снизить ваши счета за отопление.

Солнечная энергия может улавливаться самодельными солнечными коллекторами горячего воздуха и термосифонными панелями для обеспечения бесплатного тепла. Установки направляют нагретый солнцем воздух через окно или проем в стене в соседнюю комнату.

Если вы серьезно настроены сократить счета за отопление дома этой зимой, вам поможет один из этих недорогих домашних проектов:

Захват солнечного тепла
Постройте этот простой солнечный обогреватель, который висит за окном и посылает в комнату бесплатное солнечное тепло.


План здания для захвата солнечного тепла
Из этого подробного крупномасштабного плана можно построить теплоотвод.

План строительства солнечного коллектора горячего воздуха
Этот коллектор горячего воздуха навесного типа поможет отапливать ваш дом зимой и предоставит место для хранения летом.

Солнечный коллектор горячей линии
Он похож на обычный плоский солнечный коллектор, но уникальность этой панели заключается в том, что она содержит специально изогнутый отражатель, который концентрирует падающий солнечный свет на клиновидной абсорбционной трубке.

Панели солнечного обогрева штормового окна
В этой статье подробно рассказывается, как использовать переработанные штормовые окна для создания солнечного коллектора горячего воздуха, который доставляет тепло в дом через вентиляционное отверстие, установленное в южной стене или окне.

Солнечная панель горячего воздуха
Постройте эту настенную воздушную панель с термосифонированием (TAP), чтобы обогревать комнату в вашем доме силой солнца.

Ультра-простой солнечный настенный обогреватель горячего воздуха
Это устройство сделано путем покрытия каркаса 9 на 14 футов из досок 1 на 6 дюймов прозрачным пластиком, установки панели на южной стене и установки верхних и нижних вентиляционных отверстий в доме.

Солнечный нагреватель горячего воздуха для банок из вторичного сырья
Алюминиевые банки, разрезанные пополам, используются для изготовления абсорбирующей пластины для этого солнечного коллектора горячего воздуха с двойным остеклением. Температура в коллекторе достигает более 200 градусов, а первоначальный блок снизил расходы на отопление церкви в Новой Англии более чем на 60 процентов.

Супер легкий, супер недорогой гофрированный коллектор горячего воздуха на солнечных батареях
Вы можете построить этот настенный коллектор горячего воздуха размером 8 на 12 футов из гофрированного стекловолокна, чтобы обогревать ваш дом.

Автоматический контроль коллектора
Гофрированный коллектор для горячих волос (вверху) будет более эффективным с этим автоматическим термостатом.

Недорогой солнечный коллектор горячего воздуха
Вы можете обогреть здание размером 30 на 40 футов с помощью этого настенного солнечного коллектора.




Первоначально опубликовано: февраль / март 2006 г.

Постройте многоэтажный солнечный обогреватель для дома своими руками — Сделай сам

Постройте своими руками солнечный обогреватель для обогрева квартиры.Захват солнечного тепла экономит деньги на отопление, недорог в сборке, прост в установке и прост в конструкции. (См. Фотографии солнечного обогревателя в галерее изображений.)

Представьте себе, если хотите, качества, которые могут определять «идеальный» самодельный солнечный обогреватель: например, устройство было бы недорогим. . . универсально проста в установке (развесить в окно, установка была бы хорошей, спасибо). . . эффективный (одна единица должна быть в состоянии поддерживать комфорт в комнате приличных размеров).. . безопасно (и к тому же в значительной степени защищено от вандализма). . . и настолько простой по конструкции, что любой мог собрать его менее чем за день, используя только обычные бытовые инструменты.

Что ж, если вы считаете, что ни один коллекционер не может обладать всеми этими достоинствами, посмотрите фотографии, сопровождающие эту статью. . . потому что пара сотрудников MOTHER разработала — для включения в наше Руководство по самостоятельной жизни в городе — пассивный солнечный обогреватель для комнаты, который отвечает всем этим требованиям. И получился такой потрясающий маленький проект, что мы решили представить его здесь, чтобы поделиться со всеми читателями МАМА!

На самом деле, легкая (14 фунтов) оконная печь на солнечных батареях является улучшенной версией чрезвычайно популярного устройства Heat Grabber, которое мы описали в MOTHER EARTH NEWS NO.47. . . и хотя многие полагали, что будет довольно сложно доработать это и без того чрезвычайно полезное оборудование, внесенные нами модификации позволяют черпать из этого устройства около любого дома или квартиры, жителя, имеющего доступ к прямому солнечному свету.



СОЛНЕЧНОЕ ОТОПЛЕНИЕ: ИЗМЕНЕНИЯ В ЛУЧШЕ

Первоначальные улавливатели БТЕ были, как вы понимаете, предназначены для использования на первом этаже. . . фактор, позволяющий располагать их под углом — между окном и землей — для поглощения максимального количества доступной солнечной энергии.Более того, тот факт, что они были несколько тяжелыми из-за покрытия поверхности коллектора из стекла, не был серьезным недостатком при установке на уровне земли.

Новый Grabber, с другой стороны, можно разместить практически в любом окне, которое открывается вверх, будь то на первом или двадцать первом этаже. . . просто потому, что устройство было модифицировано таким образом, чтобы оно висело заподлицо со стеной здания, а не выступало из нее. (Это изменение, кстати, устраняет утомительные вычисления «оптимального угла», которые были необходимы при создании исходного устройства.)

Не менее важен и тот факт, что в новом многоэтажном Heat Grabber для остекления используется легкий, передающий энергию и относительно антивандальный пластик. . . тот же армированный стекловолокном материал, который используется во многих теплицах и промышленных коллекторах.

Наконец, в недорогой солнечной печи теперь используется вентилятор с термостатическим управлением, который втягивает холодный воздух из помещения, а затем нагнетает нагретый солнцем воздух обратно в дом или квартиру. (В дни, когда не требуется много тепла, вентилятор можно отключить, и коллектор будет работать в пассивном режиме.)

Конечно, есть жертвы, связанные с переключением с угловой конфигурации на вертикальную: поскольку солнечные лучи не попадают на перпендикулярно установленный коллектор так же прямо, как на наклонную поверхность, снижение эффективности (до 30%). К счастью, эти потери будут наибольшими в начале и в конце каждого холодного сезона, когда солнце пересекает небо под большим углом падения и, как правило, потребности в обогреве ниже, чем в середине зимы.(Те жители первого этажа, которые предпочли бы установить свои коллекторы под оптимальным углом для их широты, найдут полные инструкции по этой процедуре в оригинальной статье Heat Grabber в выпуске MOTHER № 47 … см. Стр. 48 этого выпуска, чтобы заказать задние выпуски.)

ЗАХВАТИТЕ ДОЛЯ СОЛНЦА

Помимо элементов, включенных в спецификацию материалов, собрать собственный Heat Grabber очень мало: после изготовления блочных ножей (подробно на стр. 122) все, что вам нужно для выполнения работы, — это конопатка пистолет, острый кухонный нож, рулетка и отвертка.

Стандартные размеры изоляционной плиты, составляющей корпус коллектора (при необходимости, можно заменить плетеную стекловолоконную панель для воздуховодов) таковы, что вы сможете построить два полных теплообменника.

Захваты всего из трех листов изоляции с минимумом остатков отходов. . . при условии, что ваш оконный проем имеет ширину 32 дюйма.

Используя лист жесткого пенопласта шириной 48 дюймов для основания и боковин, вы можете сделать свой оконный обогреватель шириной не более 34 дюймов.. . или вы можете уменьшить ширину, чтобы она соответствовала узкому проему, просто отрезав необходимое количество материала. И, если ваше окно, выходящее на юг, оказывается больше 34 дюймов, можно разрезать часть оставшейся доски на распорки, которые поместятся между сторонами Grabber и направляющими в оконной раме (швы должны быть хорошо заклеен изолентой для предотвращения сквозняков).

Следуя нашей схеме раскроя и используя наши подписанные фотографии в качестве руководства по строительству, у вас не должно возникнуть проблем со сборкой этой трудолюбивой маленькой красавицы за считанные часы.И — хотя мы никогда не рекомендуем небрежное качество изготовления — пока вы поддерживаете требуемую глубину камеры 2-1 / 2 дюйма и необходимое пространство между разделителем и футом 3 дюйма, ваш коллектор должен работать нормально, даже если вы: re далеко не «мастер-столяр».


Но имейте в виду одну вещь. Если вы планируете использовать этот легкий коллектор на высотном здании или в любом другом месте, где дует ветер, то лучше всего закрепить коллектор ремнем безопасности. .. протянув прочную проволоку по его лицевой стороне (или прикрепив проушины для винтов к стенкам с помощью шайб перед тем, как надеть остекление), а затем прикрепив коробку к чему-нибудь прочному, например, к оконной раме или вентиляционной решетке, чтобы закрепить ее.

Затем, когда вы «отсиживаете» на зиму, вы можете наслаждаться тем же бесплатным солнечным теплом, которым многие другие наслаждаются уже несколько лет. . . и по цене, которая слишком привлекательна, чтобы ее игнорировать!

СОЗДАТЬ ПАРУ БЛОКНЫХ НОЖЕЙ

При разработке нашего оригинального устройства для захвата тепла, исследователи MOTHER разработали два простых режущих инструмента, которые сделали задачу обрезки пенопласта с фольгой намного менее утомительной, чем это было бы, если бы бригада работала с обычными слайсерами.

Оба этих блочных ножа представляют собой простые куски древесины твердых пород размером 1 дюйм на 2-1 / 2 дюйма, размер которых удобно лежит в руке, затем нарезают один продольно под углом 45 градусов, а другой под углом 90 градусов — к торцам кусков. Чтобы закрепить рабочие лезвия Stanley 1992-5, используемые в этих резаках, между половинками каждой ручки, просто просверлите в блоках поперечные и потайные отверстия и пропустите через них 10-32 болта, закрепленных барашковыми гайками, как показано на рисунке.

Прикрутив полоску обрезков к одной стороне прямого ножа — 3/8 дюйма от паза для лезвия и параллельно ему — вы можете создать инструмент двойного назначения, который при использовании его плоской режущей стороны можно легко поднять. приспособлен для выполнения неглубоких, глубоких или сквозных квадратных разрезов.Или, если вы перевернете его в сторону с полосой для обрезков, с помощью этой встроенной направляющей он точно сформирует лапки, необходимые для удержания пластикового остекления Heat Grabber на месте.

Чтобы использовать угловой слайсер, установите глубину лезвия в пределах 1/32 дюйма от алюминиевой поверхности на дальней стороне доски, которую вы режете. Затем сдвиньте блок по линейке, которая прикреплена к вашей работе. Завершите каждую V-образную канавку, сделав второй надрез под углом к ​​первому.

Нож под углом 90 градусов работает точно так же.. . но когда вы делаете второй — и последний — надрез, чтобы завершить остекление, поместите распорную полосу толщиной 1/4 дюйма между листом пенопласта и направляющей ручки. Таким образом вы сделаете канавку шириной 3/8 дюйма, но глубиной всего 1/8 дюйма.


ПОЧЕМУ РАБОТАЕТ СОЛНЕЧНЫЙ ТЕПЛОХРАБАТ

Наш новейший Solar Heat Grabber представляет собой не что иное, как коробку с открытым концом, облицованную остеклением и разделенную на две камеры изолированной перегородкой с темной поверхностью.

Когда солнечные лучи проходят через пластиковую поверхность, армированную стекловолокном, черная перегородка поглощает тепло и нагревает воздух вокруг себя.. . который, естественно, поднимается конвекцией и льется в комнату через верхнее отверстие устройства.

Движущееся тепло втягивает холодный воздух — через нижнее отверстие у горловины печи — в неотапливаемую камеру и тянет его вокруг открытого конца перегородки у основания коллектора, чтобы согреться на его горячей стороне. . . таким образом завершая цикл.

С другой стороны, когда солнце не светит, воздух в ящике охлаждается и оседает на дне контейнера, эффективно блокируя любое движение токов в коллектор или из него.

С добавлением вентилятора и всасывающей заслонки цикл естественной конвекции просто усиливается (с небольшими эксплуатационными расходами), а простая солнечная печь превращается в пассивно-активный гибрид, который хорошо работает в любом режиме.

КОНДИЦИОНЕР ДЛЯ ОКНА

Планы для The Window Heat Grabber, позиция 754 доступна за 10 долларов.


Первоначально опубликовано: ноябрь / декабрь 1982 г.

Earth Tubes: как построить недорогую систему для пассивного обогрева и охлаждения вашего дома бесплатно

Когда мы строим наш амбарный дом на столбах, мы знаем, что хотим установить теплый пол для обогрева дома, но еще не определились с тем, как мы хотим охлаждать дом.Итак, я искал лучший вариант для сохранения прохлады в нашем доме жарким влажным летом в Айове, и я натолкнулся на интересную концепцию, которую мы могли бы рассмотреть для включения в наш проект здания, — трубы Earth Tubes. В этом посте я объясню, что это такое, как они работают, некоторые недостатки и как я мог бы создать недорогой дизайн.

Что такое трубки заземления

Earth Tubes — это метод пассивного нагрева и охлаждения, в котором используются трубы, заглубленные не менее чем на 6 футов в землю, через которую проходит воздух, и используется постоянная температура земли в 50 градусов для охлаждения и осушения воздуха летом и теплый воздух зимой перед попаданием в ограждающую конструкцию здания.Их часто используют в качестве дополнения к обычным системам центрального отопления или кондиционирования воздуха. Они лучше всего работают в экстремальных климатических условиях с высокой жарой летом и очень низкими температурами зимой, например в Айове.

Земные трубки иногда устанавливаются неправильно, потому что они плохо понимаются и являются экспериментальными, но в них нет ничего нового. Впервые их использовали римляне пару тысяч лет назад. Они также снова приобрели популярность в 70-х и 80-х годах, но многие потерпели неудачу из-за неправильной установки, из-за которой в трубках собиралась вода (из-за конденсации), а через несколько лет развивалась плесень или бактерии, и воздух, выходящий из трубки, был вреден для дыхания .

Как они работают

Летом горячий влажный воздух входит в трубку снаружи, и когда он проходит через трубку, земля, окружающая трубку, охлаждает воздух и вызывает образование конденсата на внутренней стенке трубки. Это охлаждает и осушает воздух, прежде чем он попадет в дом.

Зимой в трубу будет попадать холодный воздух, а земля при температуре 50 градусов согреет входящий воздух перед входом в дом. Это будет особенно хорошо работать с дровяной печью или камином, потому что они потребляют много воздуха при использовании, и обычно холодный воздух поступает из-под ваших дверей и вокруг ваших окон, а также из других мест, через которые воздух попадает в ограждение здания.

Недостаток заземляющих труб

Есть критика заземляющих трубок, и самая большая из них — высокая стоимость установки системы, которая просто дополняет ваши потребности в обогреве и охлаждении, а также конденсацию, которая образуется в трубках летом. Для наиболее экономически эффективных систем, которые я исследовал, требуется широкая траншея глубиной не менее 8 футов с несколькими дюймами гравия на дне, а затем несколько труб диаметром от 6 до 8 дюймов и длиной около 80 футов с непрерывным прорезь на дне, чтобы конденсат мог стекать, а затем на трубку необходимо накинуть какой-то материал или носок, чтобы никакие насекомые не могли проникнуть в прорези в трубке.Вы можете видеть, где это будет стоить тысячи долларов. Но с этой системой все еще существует проблема с проникновением радона в трубы из-под земли и попадания в дом.

непрерывная щель в трубке для выхода конденсата.

Как бы я сделал это с меньшими затратами

Я думаю, что придумал менее дорогостоящее решение для изготовления заземляющих трубок, и мы надеемся включить их в наш домашний дизайн, если я смогу сделать это по невысокой цене. Иногда лучший план — самый простой, а мой — очень простой.

Наш домик на склоне холма и столб

Как вы можете видеть из рисунка моей жены на склоне холма выше, я бы сделал нашу конструкцию заземляющей трубы. Мои земляные трубы будут следовать естественному изгибу нашего склона на 6 футов 1/2 под землей и не будут иметь щелей до тех пор, пока у подножия холма не будет прорезей на последних нескольких футах и ​​тканевого носка, позволяющего воде стекать. слить от конденсата и не допустить попадания насекомых в трубки. Только последние несколько футов земляной трубы будут иметь под собой гравий с другой 3-дюймовой перфорированной трубой из ПВХ, погруженной в гравий, который выходит на дневной свет для дренажа.Это снижает стоимость, а также избавляет от беспокойства по поводу попадания газа радона в систему. Я планирую использовать два 100-футовых рулона 6-дюймовых неперфорированных пластиковых водосточных труб, которые вы можете купить в McCorkels в Колумбии, штат Айова, по цене 99 центов за фут, и они будут располагаться по прямой линии, а не по серпантину, как на фото вверху. страница.

Рулоны 100 футов неперфорированной пластиковой дренажной трубы диаметром 6 дюймов на заводе MCCorkles в Колумбии, штат Айова, по цене 99 центов за фут.

Причина, по которой я выбрал 6 футов 1/2 фута для глубины моих труб вместо рекомендуемых 8 футов, заключается в том, что многие люди в штате Айова занимаются полевой плиткой, и большинство их траншеекопателей могут опускаться почти до 7 футов, поэтому я думаю, что смогу сделать это по разумной цене.Я думаю, что он по-прежнему будет работать на этой глубине, на любой меньшей глубине не будет достаточно стабильной температуры во время сильной жары или холода для правильной работы. Весь ключ к этой конструкции состоит в том, чтобы заземляющая труба была наклонена, как на склоне холма, к месту, откуда этот конденсат может стекать, чтобы уменьшить проблему плесени. У подножия холма, где выходят земляные трубы, на склоне холма будет выглядеть примерно так, как на фото ниже.

Он выйдет из нашей плиты в столбовом сарае, как на фото ниже.

Еще бы у нас была дверь, чтобы я мог ее выключить, если она не нужна. Вероятно, мы будем использовать заземляющие трубки только в экстремальных погодных условиях.

Есть некоторые аргументы в пользу того, нужен ли вентилятор для перемещения воздуха по трубкам. Я думаю, что зимой вентилятор не понадобится, так как холодный воздух с улицы попадает в трубу и начинает нагреваться от земли, поднимается естественным образом, как в дымоходе, особенно при включении камина, это помогает втягивать воздух в трубу. Летом я думаю, что вам понадобится низкоскоростной вентилятор, чтобы втягивать тяжелый более холодный воздух в трубку, и это может быть что-то столь же простое, как показано ниже.

Если мы сделаем заземляющие трубы, мы их установим и поставим на место до того, как будет построен наш столбовый амбар. Я думаю, что лучшее место — по обе стороны от дровяной печи или камина, или у вашей системы возврата холодного воздуха, если у вас есть обычная система отопления и охлаждения. Еще одним преимуществом этой конструкции является то, что вы можете промывать их один раз в год, чтобы избавиться от пыли и грязи, воткнув садовый шланг в заземляющие трубы изнутри дома.

Как видите, моя заземляющая трубка — это простая конструкция с простой концепцией и не требует больших затрат.Я дам вам знать больше, когда узнаю, во что обойдется вырытие двух траншей. Я думаю, что со всеми холмами в Айове этот дизайн будет работать для многих домов там. Мне интересно услышать, что многие из вас думают о заземляющих трубках, и считаете ли вы, что моя конструкция будет работать?

Обновление

Я разговаривал с одним человеком, который занимается полевой плиткой в ​​Айове, и он сказал, что может сделать это с трубой и траншеей за 2,00 фута. Так что, если я сделаю 200 футов земной трубы, это будет стоить всего 400,00.Теперь он сказал, что, поскольку это была такая небольшая работа, они могут взимать дополнительные 300,00 только за то, чтобы выйти и настроить. Так что я думаю, что смогу сделать это за 700 баксов. Теперь это заставило меня задуматься, если я сделаю 4 заземляющих трубки, которые доведут мою общую сумму до 400 футов, будет ли это по-прежнему считаться небольшой работой, и будут ли они по-прежнему брать с меня 300 за установку? Если бы я мог сделать 4 пробирки за 800.00, было бы еще лучше.

Две фотографии вверху и внизу взяты из дома в Миссури. Владелец этого дома сказал, что земляные трубы не работают.Трубка 2 на 80 футов в длину. На мой взгляд, эта система не сработала, потому что труба была закопана всего на несколько футов под землей, а вентилятор, который он использовал для вытягивания воздуха из трубы, был вентилятором большого объема. Эта система работала бы, если бы трубы были заглублены по крайней мере на 6 футов, и было бы лучше использовать четыре 6-дюймовых трубы вместо одной 2-футовой трубы.

Нравится:

Нравится Загрузка …

Связанные

О Гордоне Миллигане

Я бывший кондуктор пригородной железной дороги в Чикаго, штат Иллинойс, сейчас живу и купил ферму площадью 40 акров в Южно-Центральной Айове, которую построил с нуля.Моя жена и я пытаемся выращивать и выращивать большую часть моей еды, используя экологически безопасные и органические методы. У меня есть блог, в котором рассказывается о моем пути к тому, чтобы стать фермером.

От чего зависит температура Земли?

Лекция 1: От чего зависит температура Земли?
Семинар для первокурсников:
Введение в науку об изменении климата
Проф. Хорди Миральда-Эскуде, F 9:30

Лекция 1: От чего зависит температура Земли?


Поток энергии от Солнца.

Земля нагревается Солнцем. Скорость нагрева зависит от флюса. энергии излучения, которое достигает Земли от Солнца.

Что такое флюс? Поток — это количество энергии, которое достигает Земли за единица площади и в единицу времени, или мощность, достигаемая на единицу площади.

От чего зависит поток от Солнца?

  • Чем ярче Солнце, тем больше поток.
  • Чем больше расстояние от Солнца, тем меньше поток.
  • Более количественно поток увеличивается пропорционально светимость Солнца и обратно пропорциональна квадрату расстояния от солнца.

Как остывает Земля?

Если бы энергия, приходящая от Солнца к Земле, была единственным обменом энергии, которую Земля имела с космическим пространством, что случилось бы с Землей?

  • Поскольку энергия сохраняется (не создается и не уничтожается), энергия исходящий от Солнца будет продолжать накапливаться в Земле в виде тепла. В Земля должна становиться все горячее и горячее.

Итак, что необходимо Земле для поддержания постоянной температуры?

  • Земле также необходимо остыть, теряя ту же энергию в космос поскольку он получает от Солнца, так что его температура находится в равновесии.

Как остывает Земля?

  • Все материальные объекты непрерывно излучают излучение их поверхности. Чем выше их температура, тем больше излучения они испускают. Земля испускает радиацию в космос.
  • Это излучение, испускаемое всеми объектами, иногда называемое тепловым. излучение имеет характерную длину волны, которая зависит от температуры. При температуре поверхности Земли тепловое излучение находится в инфракрасном диапазоне. длины волн около 10 мкм.Человеческий глаз не может обнаружить это излучение. По мере увеличения температуры объекта длина волны излучаемого радиация укорачивает. Если нагреть кусок железа или уголь, он начинает светиться с красным цветом. Красный цвет — это излучение с самой длинной длиной волны. глаза могут видеть. При дальнейшем повышении температуры цвет будет меняться. сначала желтым, а затем белым (по мере уменьшения характерной длины волны). Солнце очень горячее, и его свет — это тепловое излучение от его поверхности, с белым цветом.Еще более горячий объект, чем Солнце, стал бы синим, а также излучают много ультрафиолетового света (даже с более короткими длинами волн).
  • Если вы посмотрите на холодный кусок железа, он выглядит черным и кажется, что он не испускает излучения. Однако он все еще излучает, хотя количество излучения намного меньше, чем в жаркое время, и имеет долгую длина волны, которую не видит ваш глаз. При комнатной температуре предметы излучают только инфракрасное излучение.
  • Точно так же Земля испускает инфракрасное излучение в космос.если ты есть инфракрасная камера в космосе, Земля будет выглядеть как объект светится в темноте космоса. Это инфракрасное свечение исходит как от дневная сторона и ночная сторона. Свечение усиливается с повышением температуры, поэтому оно будет ярче от экватора, где Земля теплее, и тусклее всего на полюсах.
  • Это тепловое излучение полностью отличается от отраженного излучения . свет от Солнца, что и составляет визуальные образы Земли. из космического шоу. Отражение не имеет ничего общего с температурой объект, это просто происходит потому, что падающий свет от Солнца не все поглощаются Землей, некоторые из них отражаются обратно, таким же образом свет от лампочки отражается от предметов вокруг нее.

Энергетический баланс Земли

Для того, чтобы температура Земли находилась в равновесии, необходимо должен быть баланс между энергией, поступающей от Солнца, и выход энергии в виде инфракрасного излучения в космос . Если больше энергии приходя в виде солнечного света, Земля нагревается Если больше энергии выходит как инфракрасное излучение, Земля остынет.

  • Чтобы быть более точным, некоторая энергия фактически вырабатывается в земных внутреннее и непрерывно перетекает на поверхность.Это потому, что интерьер Земли очень горячая, и ее тепло поддерживается долгоживущими радиоактивными распад урана и других радиоактивных элементов. Сила, исходящая от Недра Земли намного меньше (примерно в 10000 раз меньше), чем мощность Земля получает от Солнца. Итак, энергия, излучаемая Землей, должна сбалансировать поступление энергии от Солнца и из недр Земли. Но из конечно, сумма этих двух лишь немного больше, чем поступление энергии только от Солнца.

Орбита Земли, наклон ее вращения Оси и причина сезонов.

Земля вращается вокруг своей оси, и она также вращается вокруг Солнце. Что вызывает сезоны?

  • Орбита Земли не является точно круговой, а имеет форму эллипса. с небольшим эксцентриситетом. На ближайшем расстоянии от Солнца Земля составляет около 147 миллионов километров, и на самом дальнем расстоянии она находится примерно в 152 миллионах километров. Может ли это быть причиной сезоны?
  • Когда в Северной Америке лето, бывает ли лето везде? Земной шар? Нет, в Южном полушарии сейчас зима!

Ось вращения Земли наклонена относительно плоскости своей орбиты вокруг Солнца.Угол наклона 23,5 градуса. Это вызывает сезоны.

  • Ось вращения остается в том же направлении как Земля вращается вокруг Солнца. Когда северный полюс наклонен в сторону Солнце, Северное полушарие получает гораздо большее количество солнечного света чем в Южном полушарии, а на Севере сейчас лето. Половина революции позже, Северный полюс наклонен от Солнца и Южный полюс по направлению к нему. Затем в Южном полушарии лето.
  • Примечание: лето в Северном полушарии на самом деле сезон после 21 июня (летнего солнцестояния).21 июня количество солнечного света получено максимально на Севере. Весной количество солнечного света получено на Севере точно так же, как летом. Но лето это горячее, чем весна, потому что требуется некоторое время, чтобы поверхность Земля для разогрева. То же самое происходит в день зимнего солнцестояния: минимум инсоляция в северном полушарии наступает 21 декабря, но самые холодные дни бывают ближе к концу января, потому что поверхность Земли принимает некоторое время, чтобы остыть до минимальной температуры.Это пример время реакции климата на движущую силу (в данном случае движущая сила — это количество солнечного света, получаемого в каждом полушарии).

Описание:
  • Земля нагревается потоком энергии, которую она получает от Солнца, и охлаждается, испуская инфракрасное излучение в космос.
  • Нормы входящей и исходящей энергии должны быть сбалансированы, если температура Земли должна оставаться постоянной.
  • Эксцентриситет земной орбиты приводит к тому, что расстояние до Солнца незначительно изменится (наибольшая в июле и самая короткая в январе).В сезоны, однако, вызваны наклоном оси вращения Земной шар.
  • Максимальная температура летом достигается через некоторое время после максимальная инсоляция, 21 июня, из-за времени отклика климата.
    Вернуться к [ Главная страница ]
  • Геотермальный тепловой насос: как это работает

    Учитывая, что в наши дни солнечной энергии уделяется все внимание, вы можете быть удивлены, узнав, что одно из самых многообещающих решений по снижению высоких затрат на энергию находится не в небе, а глубоко под вашим газоном.

    Прочтите, чтобы понять, как работают геотермальные тепловые насосы, сколько они стоят и являются ли они разумным вложением средств.

    Геотермальные тепловые насосы стоят денег?

    Сверхэффективные геотермальные тепловые насосы обеспечивают чистое и бесшумное отопление и охлаждение, сокращая при этом коммунальные платежи до 70 процентов. «С этой технологией каждый мог бы получать больше энергии на весь срок службы», — говорит эксперт по сантехнике и отоплению TOH Ричард Третви.

    Геотермальная система с тепловым насосом

    В принципе, геотермальный тепловой насос работает так же, как обычный тепловой насос, за счет использования хладагента под высоким давлением для улавливания и перемещения тепла из помещения в помещение.Разница в том, что обычные системы собирают тепло — и избавляются от него — с помощью наружного воздуха. Геотермальные системы, напротив, передают тепло через длинные петли заполненных жидкостью труб, закопанных в землю.

    Геотермальное отопление и охлаждение

    Как давно обнаружили наши пещерные предки, если вы уйдете достаточно глубоко под землю, температура земли будет оставаться постоянной 50 градусов или около того, независимо от того, насколько жарко или холодно на улице. Таким образом, в то время как обычный тепловой насос с «воздушным источником» изо всех сил пытается улавливать тепло от замерзающего зимнего воздуха или сбрасывать его в летний зной, его «наземный» аналог выполняет сравнительно легкую работу по отбору и отведению тепла через 50-градусную жидкость, циркулирующая в его контуре заземления.

    КПД

    Вот почему геотермальному тепловому насосу требуется всего один киловатт-час электроэнергии для производства почти 12 000 британских тепловых единиц для охлаждения или обогрева. (Чтобы произвести такое же количество Btus, стандартный тепловой насос при температуре 95 градусов в день потребляет 2,2 киловатт-часа.) Геотермальные системы вдвое эффективнее лучших кондиционеров и почти на 50 процентов эффективнее лучших газовых печей. , круглый год.

    Еще одно преимущество состоит в том, что нет необходимости в шумном наружном вентиляторе для перемещения воздуха через змеевики компрессора.Геотермальные установки просто перекачивают жидкость, поэтому их можно парковать в закрытом помещении, защищенном от непогоды. На большинство из них предоставляется 10-летняя гарантия, но она может длиться намного дольше. За 29 лет, прошедших с тех пор, как Джим Партин, один из первых приверженцев технологии, установил один в своем доме в Стиллуотере, штат Оклахома, он заменил только два контактных переключателя.

    Детали теплового насоса: Как и в обычных тепловых насосах, хладагент в геотермальном тепловом насосе проходит по контуру через компрессор, конденсатор, расширительный клапан и испаритель, собирая тепло на одном конце и отдавая его на другом.Направление потока хладагента, которое регулируется реверсивным клапаном, определяет, подается ли тепло в дом зимой (показано) или отводится от него летом. С добавлением пароохладителя остаточное тепло от системы также может дополнять обычный водонагреватель, что еще больше снижает счета за электроэнергию.

    Расходы и налоговые льготы

    Несмотря на эти преимущества, в прошлом году в США было установлено только 47000 геотермальных установок. Это лишь крошечный промах по сравнению с примерно одним миллионом обычных тепловых насосов, проданных за тот же период, даже несмотря на то, что наземные тепловые насосы стоят примерно столько же.

    Вот в чем загвоздка: нужно закопать много труб — от 1500 до 1800 футов для типичного дома площадью 2000 квадратных футов. (Фактическая длина должна быть рассчитана специалистом на основе оптимальных нагрузок на отопление и охлаждение для дома.) Установка такого размера может стоить до 20 000 долларов в зависимости от почвенных условий и объема копания и бурения.

    Например, для дома на большом участке можно использовать трубы, проложенные горизонтально в длинных траншеях глубиной 4 фута.Дома на небольших участках или на скалистых уступах могут потребовать трех или четырех отверстий, просверленных на глубине около 300 футов, что намного дороже.

    Даже с такими значительными начальными инвестициями геотермальные системы настолько энергозатратны, что срок окупаемости чрезвычайно короткий. Исследование, проведенное Технологическим институтом ВВС США, подсчитало, что в среднем требуется всего семь-восемь лет, чтобы окупить затраты.

    Фактическая точка безубыточности зависит от местных тарифов на коммунальные услуги, затрат на земляные работы / бурение, того, насколько хорошо ваш дом изолирован, эффективности выбранной вами модели и того, какие стимулы предоставляют ваше государство или коммунальные службы.Хороший установщик, разбирающийся в вопросах отопления и охлаждения, а также в вашей местной геологии, сможет произвести эти расчеты за вас.

    Текущие федеральные льготы ограничиваются стандартной налоговой льготой в размере 300 долларов для установок Energy Star HVAC. (Канадцы, модернизирующие существующий дом с использованием геотермальной энергии, имеют право на федеральный грант в размере 3500 долларов).

    Некоторые дальновидные коммунальные предприятия предложили ссуды под низкие проценты домовладельцам, желающим внедрить эту технологию. «Это беспроигрышный вариант», — говорит Стив Розенсток, менеджер по решениям в области энергетики в Edison Electric Institute, ассоциации коммунальных предприятий.«Коммунальные предприятия снижают пиковый спрос на отопление и охлаждение, поскольку их клиенты резко снижают свои счета за электроэнергию».

    А поскольку пластиковые контуры заземления должны прослужить 50 или более лет, окупаемость для домовладельцев и для окружающей среды может длиться несколько поколений.

    Основы

    Что это такое: Электрическая система отопления и охлаждения, которая передает тепло между вашим домом и землей с помощью жидкости, циркулирующей по длинным петлям подземных труб.

    Как это работает: Внутренний тепловой насос использует основной цикл охлаждения — испарение, сжатие, конденсацию и расширение — для улавливания и отвода тепла от земли и к земле для обогрева дома зимой и охлаждения летом.

    Преимущества: Сокращает счета за отопление и охлаждение дома на 30–70 процентов. Устраняет шум компрессоров и вентиляторов на открытом воздухе. Снижает выбросы парниковых газов за счет посадки 750 деревьев или снятия с дороги двух автомобилей.

    На что обращать внимание: Для получения федеральных налоговых льгот насосы должны соответствовать стандартам эффективности Energy Star. Для систем с обратной связью вам потребуется EER, равный 14,1, и COP (коэффициент полезного действия), равный 3,3.

    Где это получить: Чтобы найти производителей, посетите веб-сайт Консорциума геотермальных тепловых насосов. Чтобы найти квалифицированных монтажников и проектировщиков, которые знают местную геологию и знают, как рассчитывать системы для достижения максимальной эффективности, посетите веб-сайт Международной ассоциации наземных тепловых насосов.

    Сколько это стоит: 15 000–20 000 долларов на установку системы, включая контуры заземления, тепловой насос и средства управления. База данных государственных стимулов для возобновляемых источников энергии предоставляет актуальную информацию о государственных программах стимулирования.

    Могу ли я его модернизировать? Модернизация системы заземления не представляет трудностей, если возможно закопать контур заземления. В доме потребуются воздуховоды для распределения прохладного воздуха в жаркие дни. Эти же воздуховоды могут обеспечивать теплый воздух зимой.

    Некоторые геотермальные тепловые насосы могут быть подключены к существующему устройству обработки воздуха, другие агрегаты поставляются со своим собственным встроенным устройством обработки воздуха. В домах с водяным отоплением также могут использоваться геотермальные системы, хотя могут потребоваться дополнительные радиаторы, поскольку эти системы не достигают более высоких температур, чем топливные котлы. (Это не проблема для теплого пола, который работает при более низких температурах.)

    Может ли динамо-машина Земли работать только на тепле? | Международный геофизический журнал

    Сводка

    Мощность, необходимая для приведения в движение геодинамо, накладывает значительные ограничения на теплопередачу через границу ядра и мантии и тепловую историю Земли.На сегодняшний день расчеты ограничены неточностями в свойствах смесей жидкого чугуна при давлениях и температурах в активной зоне. Здесь мы повторно исследуем проблему ядерной энергетики в свете новых расчетов из первых принципов свойств жидкого железа.

    Существуют разногласия относительно судьбы гравитационной энергии, высвобождаемой при сжатии при охлаждении. Мы показываем, что только небольшая часть этой энергии, связанной с нагревом в результате изменений давления, доступна для конвекции и динамо-машины.Это оставляет два очень простых уравнения для скорости охлаждения и радиоактивного нагрева, одно дает тепловой поток из активной зоны, а другое — увеличение энтропии электрического и теплового рассеяния, двух основных процессов рассеяния.

    Эта статья ограничена тепловой конвекцией в ядре из чистого железа; композиционная конвекция в смеси жидкого железа рассматривается в сопутствующей статье. Мы показываем, что одних источников тепла вряд ли хватит для питания геодинамо, потому что они требуют быстрой постоянной скорости охлаждения, что подразумевает очень молодое внутреннее ядро, или сочетание охлаждения и значительного радиоактивного нагрева, что требует очень большого теплового потока через граница ядро ​​– мантия.Простой расчет без внутреннего сердечника показывает, что требуются еще более высокие тепловые потоки при отсутствии скрытой теплоты до образования внутреннего сердечника.

    1 Введение

    Существование геомагнитного поля накладывает ограничения на тепловую историю Земли. Любая модель эволюции Земли должна включать в себя достаточные потери тепла из ядра для питания динамо-машины, но не настолько, чтобы ядро ​​слишком быстро замораживалось. Эти двойные ограничения на удивление сильны.

    Электрическое сопротивление вызывает постоянный отток энергии, который в конечном итоге должен исходить от внутреннего тепла Земли, гравитационной энергии, радиоактивного нагрева и, в зависимости от механизма динамо, вращательной энергии.Ранние исследования предполагали, что радиоактивный нагрев является источником тепловой конвекции в ядре, и признали, что тепло будет преобразовываться в магнитную энергию с термодинамической эффективностью типа Карно (Bullard 1950). Verhoogen (1961) в качестве основного источника тепла использовал скрытую теплоту замерзания железа в активной зоне. Брагинский (1963) предложил композиционную конвекцию, вызванную разделением легкого компонента смеси внешнего ядра путем замораживания.

    Backus (1975) и Hewitt (1975) показали, что термодинамическая «эффективность» может быть оценена по балансу энтропии в ядре и, что удивительно, может превышать единицу, потому что электрический нагрев остается внутри ядра: это бесполезная работа, экспортируемая тепловым двигателем.Губбинс (1977) использовал метод энтропии, чтобы показать, что гравитационная энергия, выделяемая композиционной конвекцией, преобразуется в магнитную энергию с гораздо большей термодинамической эффективностью, чем тепло, причем детали зависят от химического потенциала. Лопер (1978) вычислил энергии, выделяемые охлаждающим, дифференцирующим ядром, а Габбинс (1979) использовал баланс энтропии, чтобы установить поддержание динамо с разумными скоростями охлаждения и параметрами ядра.

    Gubbins (1977) и Gubbins (1979) показали, что гравитационная энергия, высвобождаемая при сжатии в гидростатическом адиабатическом состоянии, почти полностью поглощается работой, выполняемой при сжатии, и поэтому не доступна для привода динамо-машины.Хэге и Мюллер (1979) выполнили довольно сложный расчет усадки, сопровождающей охлаждение, и пришли к выводу, что гравитационная энергия, выделяемая при замерзании железа, является значительным дополнительным источником энергии для геодинамо, не учитываемым в предыдущих исследованиях (см. Также Мюллер и Хэге, 1979). Мы повторяем здесь, что изменения гравитационной энергии из-за теплового сжатия и, что эквивалентно, изменение объема при замерзании, не входят в баланс энтропии и, следовательно, не могут управлять динамо-машиной.Кроме того, мы показываем здесь, что нагрев давлением, связанный с изменением объема при замерзании, равен дополнительной скрытой теплоте, выделяемой в результате влияния изменения давления на температуру плавления и, следовательно, на радиус внутреннего ядра.

    Моллетт (1984) вычислил более полную тепловую историю Земли, используя параметризованную конвекцию для учета охлаждения мантии, и обнаружил, что при выборе нескольких параметров внутреннее ядро ​​относительно рано достигло своего нынешнего радиуса, а затем эволюционировало намного медленнее.Более поздние расчеты Баффета (1996), Лабросса (1997) и Стейси и Стейси (1999) предполагают, что внутреннее ядро ​​- довольно недавняя особенность, сформировавшаяся около 2 млрд лет назад.

    В конечном счете, все эти расчеты основаны на оценках свойства материала, из которого состоят внутренние и внешние сердечники. Сейсмология дает отличные оценки сейсмических скоростей, сжимаемости и плотности. Остальные количества были получены в результате экспериментов с железом при высоком давлении и экстраполяции известных свойств на высокие давления и температуры (Anderson & Ahrens 1994).Данных по твердому железу немного, а по жидкому железу и железу, легированному более легкими элементами, такими как кислород, кремний и сера, — материалам-кандидатам для легкого компонента во внешнем ядре — почти нет.

    Теоретические расчеты теперь позволяют прогнозировать свойства железа (Alfè, 1999a, 2000a; Vočadlo, 1999) и смесей жидкого железа (Alfè & Gillan 1998; Alfè 1999b, 2000b, 2002a, 2002b) при давлениях и температурах в активной зоне. Результаты добавляют достоверности оценкам некоторых общих свойств железа, использованных в более ранних расчетах.Поэтому мы еще раз возвращаемся к расчетам тепловой истории, чтобы увидеть, какие различия вносят новые оценки параметров. Работа проводится в два этапа: в этой статье описываются результаты для однокомпонентного сердечника с динамо-машиной, приводимой в действие исключительно за счет тепловой конвекции. В сопутствующей статье мы приводим результаты для бинарных смесей, в которых композиционная конвекция вносит вклад в геодинамо. Эта статья дает нам возможность рассмотреть теорию без осложнений, связанных с двумя химически реагирующими компонентами, и исследовать утверждения о том, что дополнительные источники гравитационной энергии позволяют тепловой конвекции управлять геодинамо в одиночку.

    2 Полная термодинамика ядра

    В этом и следующем разделах модель разрабатывается более строго. Некоторые из них являются повторением Губбинса (1979); это необходимо, чтобы прояснить некоторые неясные части этой статьи, исправить некоторые незначительные ошибки и расширить обсуждение гравитационной энергии, высвобождаемой при изменении объема при замерзании. Листер и Баффет (1995) и Баффет (1996) подвергли сомнению первоначальную трактовку гравитационной энергии, потерянной при сжатии, но теперь это кажется основанным на неправильном понимании оригинальных работ; Листер (2003) показал, что их метод дает те же глобальные уравнения, которые используются здесь.

    2.1 Основное состояние

    Нас интересует медленная эволюция Земли в целом и ядра в частности. Для многих целей ядро ​​можно представить как неподвижную жидкость в гидростатическом равновесии с адиабатической температурой. Это состояние медленно развивается со временем, когда Земля охлаждается и сжимается. Сужение подразумевает очень медленное радиальное движение материала вниз, обозначаемое и . На это основное состояние накладывается конвекция.Предполагается, что усреднение за некоторое промежуточное время, долгое по сравнению со временем жизни конвективной ячейки, но короткое по сравнению с медленной эволюцией Земли, приводит к основному состоянию: давление p усредняется до гидростатического, температура T усредняется до адиабатического. , гравитационный потенциал ψ, определяемый формулой g = + ∇φ, где g — ускорение свободного падения, среднее значение для сферически-симметричного распределения плотности и т. д. Весь поток жидкости в ядре, конвективный и сжимающий, обозначается на v , чтобы отличить его от медленного сокращения, u .Мы не делаем различия между значениями конвективного и базового состояний других переменных; из этого не должно возникнуть путаницы. Читателя отсылают к Braginsky & Roberts (1995) для наиболее полного обсуждения этого основного состояния.

    В предыдущей работе предполагалось, что поток жидкости в среднем равен и , но это ненужное ограничение. Например, устойчивый конвективный поток, вызванный или находящийся под влиянием аномалий граничной температуры, может сохраняться в течение длительного периода времени, используемого здесь.Такой поток не влияет на гравитационную или внутреннюю энергию при небольших отклонениях от адиабатической температуры и гидростатического давления. Медленные изменения конвективной картины изменяют кинетическую энергию, но вклад в общий энергетический баланс незначителен. В дальнейшем мы будем предполагать, что v в среднем и , медленное сжатие, и игнорировать любую долговременную конвективную картину.

    Можно оценить общие термодинамические свойства активной зоны в терминах основного состояния.Конвекция по-прежнему определяет результаты через свое влияние на квазистационарное основное состояние: поддержание хорошо перемешанного адиабатического ядра; создание магнитного поля и т.д .; но нам не нужно знать подробности. Произведения конвективных величин не усредняются для получения значений основного состояния. Важным примером является v · ∇ p , скорость работы жидкости против сил давления. Заманчиво, но неправильно заменить это на ρ u · ∇ψ, используя уравнение для гидростатического давления1, где ρ — плотность, а ψ — гравитационный потенциал.Поэтому оценка интегралов, описывающих грубую термодинамику, довольно тонка. Ими манипулируют с помощью уравнения сохранения массы2 и теоремы Рейнольдса о переносе для интеграла по объему материала345 Теорема Рейнольдса о переносе связывает общую скорость изменения свойства всего объема материала ( A ) с объемными скоростями изменение этого количества в точках внутри него. Форма (5) четко отделяет вклад изменений в объеме от вкладов потока через границу.

    Среднее время интеграла, которое может быть оценено с использованием базового состояния, потому что это скорость изменения общего свойства всего объема материала. Форма (4) предполагает, что это зависит от произведения v и градиентов A , но вклад этой флуктуирующей части в долгосрочную эволюцию должен в среднем равняться нулю. Форма (5) подтверждает это: граница является материальной поверхностью и, следовательно, v · d S = u · d S .

    2.2 Уравнение энергии

    Уравнение сохранения энергии в точке: 6, где B и E — магнитное и электрическое поля, e — внутренняя энергия, p — давление, τ ′ — девиаторное напряжение, k — теплопроводность (мы использовали закон теплопроводности Фурье), T — температура и h — локальное тепловыделение. Левая часть показывает скорость увеличения внутренней, кинетической и магнитной энергии на единицу объема.Дивергенция в правой части дает входящий поток кинетической, внутренней, сжимающей, электромагнитной энергии и энергии сдвига, а также тепло, втекающее за счет теплопроводности. Последние два члена — это источник тепла на единицу объема и работа, совершаемая силами гравитации. (6) по всей сердцевине, комбинируя члены кинетической и внутренней энергии и используя уравнения (2), (3), и теорема о расходимости дает7 Левая часть этого уравнения дает общую скорость изменения внутренней, кинетической и магнитной энергия.Поверхностные интегралы в правой части отражают работу, совершаемую на поверхности силами давления, поток электромагнитной энергии через границу, работу, совершаемую поверхностным натяжением, и тепловой поток через границу. Последние два объемных интеграла дают общее количество подводимого тепла и общую работу, проделанную против гравитационных сил.

    Сделаем несколько упрощающих предположений. Первый — усреднить временные флуктуации, связанные с конвекцией и динамо-процессом, чтобы оставить интегралы, описывающие только медленную эволюцию основного состояния.Этот процесс усреднения обсуждался многими авторами, наиболее полно Брагински и Робертс (1995). Они не включали эффекты теплового сжатия; мы включаем его сюда, усредняя v не до нуля, а до и , радиальной скорости медленного сжатия. Требуется осторожность при оценке средних значений некоторых интегралов, поскольку произведения флуктуирующих величин не равны произведению их средних значений. Второе упрощающее предположение — устранить эффекты изменений мантии.Мы устраняем поток электромагнитной энергии через поверхность ядра, принимая мантию как электрический изолятор, а работу, совершаемую сдвигающими напряжениями на границе, используя границу, свободную от напряжений. Гравитационная энергия — это свойство всей Земли: например, ее нельзя разделить на вклады от ядра и мантии. Изменения гравитационной энергии рассчитываются с точки зрения работы, совершаемой гравитационными силами во время изменения. Можно интегрировать работу, выполняемую в ядре, и назвать это изменением гравитационной энергии ядра, но изменение плотности мантии изменяет гравитационный потенциал в ядре и, таким образом, влияет на расчет ядра.Мы пренебрегаем этими мантийными эффектами в наших расчетах.

    Остальные члены в ур. (7) можно преобразовать, чтобы получить Q , тепло, потерянное через границу ядро-мантия (CMB) 8, где каждый интеграл берется по всему ядру и усредняется по времени. Q нельзя оценить исходя из значений базового состояния, потому что тепло передается за счет конвекции в основном теле жидкости и выводится через поверхностный пограничный слой. Поэтому мы не можем заменить replace T в ур. 8) адиабатическим градиентом температуры; фактически, одно использование ур.Выражение (8) предназначено для определения сверхадиабатического градиента температуры в пограничном слое. Второй член представляет собой скорость изменения внутренней энергии. В его нынешнем виде он включает конвективные колебания, но нам нужна только долговременная эволюция. Производная по времени находится за пределами интеграла, поэтому скорость изменения может быть оценена путем дифференцирования полных внутренних энергий на интервале, который длиннее по сравнению с конвективной шкалой времени. Единственными вносящими вклад изменениями являются те, которые связаны с длительной шкалой времени, давая9, где ρ и e также являются базовыми значениями состояния.Это уравнение просто утверждает, что конвективные колебания могут изменять внутреннюю энергию только путем изменения основного состояния. Это общее правило для производных по времени глобальных величин. Третий член в уравнении. (8) — работа, совершаемая силами гравитации; он также явно содержит v . Однако это также скорость изменения гравитационной энергии, и ее долгосрочное среднее значение также можно оценить исключительно в терминах основных переменных состояния. Рассмотрим гравитационную энергию всей Земли.Тогда работа, совершаемая силами гравитации, равна10. Левая часть зависит от v и, следовательно, от конвективных колебаний. Правая часть не зависит от v явно, но неявно, потому что ψ зависит от ρ и, следовательно, колеблется в зависимости от конвекции. Однако с помощью закона всемирного тяготения11 легко показать, что12, где d / dt , можно вынести из интеграла, поскольку он распространяется по всему пространству. Интеграл в правой части — это стандартная формула для гравитационной энергии самогравитирующего тела, которая не зависит от того, как масса была собрана вместе, потому что гравитационная сила консервативна.Он имеет форму производной по времени глобальной величины, и поэтому его долгосрочную эволюцию можно оценить с точки зрения медленной эволюции Земли. Следовательно, v можно заменить на u в третьем члене ур. (8) и ρ∇ψ градиентом гидростатического давления. Мы распространяем результат на ядро ​​Земли, используя упрощенное приближение, игнорируя изменения в ядре, вызванные изменениями мантии. Это также игнорирует возможности андерплейтинга границы ядро-мантия или перколяции материала из мантии в ядро.

    Первый член в правой части уравнения. (20) — это просто тепло, выделяемое при падении температуры при постоянном давлении. Он включает скрытую теплоту замерзания и некоторую зависимость от сжатия через и в производной Лагранжа. Второй член дает нагрев, возникающий из-за повышения давления. Некоторые называют его «адиабатическим» нагревом (Gubbins 1979; Stacey & Stacey 1999), но на самом деле это тепло, выделяемое изотермическим повышением давления. Поэтому мы называем это нагревом под давлением.

    Замена из ур. (20) в ур. (8) дает наш окончательный тепловой баланс 21Eq. (21) приравнивает тепло, проходящее через реликтовое излучение, к сумме источников тепла и тепла, выделяемого при охлаждении, замораживании и сжатии. Он не содержит магнитного поля, поэтому мы не можем использовать его для оценки тепла, необходимого для поддержания геодинамо. Физически это происходит потому, что магнитная энергия поступает из других источников (трение) и рассеивается в виде омического нагрева. Математически магнитное поле подчиняется своему собственному уравнению энергии, балансу между работой, выполняемой жидкостью против магнитных сил, омическим нагревом и скоростью изменения магнитной энергии.

    2.3 Уравнение энтропии

    Магнитное поле входит в баланс энтропии. Уравнение энтропии в точке дается формулой 22 (Хьюитт, 1975). Φ — комбинированный омический и вязкий нагрев. Интеграция по ядру дает общий баланс энтропии. Обратите внимание, что тогда левая часть имеет правильную форму для применения теоремы Рейнольдса о переносе, и поэтому результат не зависит от конвекции. Таким образом, интеграл можно оценить, рассматривая только медленную эволюцию ядра, и v , которое неявно появляется в производной Лагранжа, может быть заменено на и , а другие величины заменены их значениями основного состояния — в частности, давление может принимать гидростатическую, а температуру — адиабатическую.Интегрируя ур. (22) по ядру дает общий баланс энтропии. Первый член в правой части преобразуется с использованием теоремы о расходимости23, где T c — это температура реликтового излучения, которая считается однородной. Используя ур. (20) для скорости изменения энтропии в левой части ур. (22) и заменяя Q из ур. (21) дает 24Eq. (24) имеет простую физическую интерпретацию. Правая часть содержит диссипативные вклады, все из которых являются положительными и представляют собой часть неумолимого спуска Вселенной в хаос.Левая часть содержит изменения энтропии, возникающие из-за наличия источников и поглотителей тепла при разных температурах, все они умножены на местный «коэффициент полезного действия» ( T T c ) / T c .

    3 Оценка отдельных терминов

    Теперь нам нужно сделать численные оценки каждого из членов в уравнениях (21) и (24).

    3.1 Радиоактивный обогрев

    Они рассчитаны в предположении равномерного h , потому что сильная конвекция ядра будет равномерно смешивать любые радиогенные элементы.Тогда тепло будет просто25, где M c — масса сердечника. Вклад энтропии содержит интеграл26 и равен 27

    3.2 Охлаждение на адиабате

    Термин охлаждения состоит из двух частей, каждая из которых имеет один вклад от объема жидкости и один от замерзания на внутренней границе ядра (ICB). Все члены пропорциональны скорости охлаждения, которая зависит от глубины активной зоны. Очень полезное приближение связывает скорость локального охлаждения на радиусе r со скоростью реликтового излучения.Адиабатическая температура удовлетворяет уравнению28, где T i = T ( r i ) — температура внутренней границы ядра, γ — параметр Грюнайссена, φ — сейсмический параметр, g — ускорение свободного падения и r c — это радиус внешнего ядра (Poirier 2000). При охлаждении показатель степени будет медленно меняться с течением времени, но влияние на T a незначительно. Следовательно, 29, которая не зависит от позиции.Следовательно, можно взять T −1 DT / Dt из всех интегралов. Обратите внимание, что производная Лагранжа, работающая на T c , просто измеряет падение температуры на самом CMB, а не на фиксированном радиусе. Грубые оценки изменений g, , γ и φ с температурой позволяют предположить, что уравнение. (29) имеет точность лучше 1 процента.

    3,3 Удельная теплоемкость

    Другое очень полезное приближение — принять C p в качестве константы, что находится в пределах наших знаний о свойствах сердечника.Вклады теплоемкости в уравнения (21) и (24) тогда просто 30, где 31 и вклад энтропии в уравнение. (24) is32

    3,4 Скрытая теплота

    Рисунок 1

    Рост внутреннего ядра при понижении температуры. Первоначально внутренний радиус сердцевины находится на ICB, где адиабатическая температура окружающей среды T a пересекает температуру плавления T m . Адиабатическая температура падает на Δ T = CD , а внутренний радиус сердцевины увеличивается на Δ r до ICB ′, нового пересечения с T m .Если ‘обозначает производную по отношению к r , то AE = T m ′ Δ r и AB = T a ′ Δ r . Δ T = AE AB . Перестановка дает Δ r = Δ T / ( T м ′ — T a ′).

    Рисунок 1

    Рост внутреннего ядра при понижении температуры. Первоначально внутренний радиус сердцевины находится на ICB, где адиабатическая температура окружающей среды T a пересекает температуру плавления T m .Адиабатическая температура падает на Δ T = CD , а внутренний радиус сердцевины увеличивается на Δ r до ICB ′, нового пересечения с T m . Если ‘обозначает производную по отношению к r , то AE = T m ′ Δ r и AB = T a ′ Δ r . Δ T = AE AB . Перестановка дает Δ r = Δ T / ( T м ′ — T a ′).

    Математически скрытую теплоту можно рассматривать как особенность удельной теплоемкости при r = r i : когда ядро ​​охлаждается на небольшую величину Δ T , при замораживании выделяется скрытая теплота, сосредоточенная в ICB. Интегралы (30) и (32) для Q S и E S можно сделать так, чтобы учесть скрытую теплоту, используя модифицированную удельную теплоемкость: 38 Аналогичное устройство будет использоваться при вычислении нагрева давлением. .

    3.5 изменений давления

    Два члена в уравнениях (24) и (21) требуют знания скорости изменения давления. Сжатие вызывает изменение гидростатического давления на заданном радиусе в пределах Земли. Вблизи поверхности давление снижается, потому что радиус Земли уменьшается и над ней меньше материала, но для большей части Земли и всего ядра давление увеличивается, потому что g больше (больше масса внутри радиуса r ) и ρ больше. Изменение давления для данного изменения температуры вызывает дальнейшее сжатие, которое, в свою очередь, вызывает дальнейшее повышение давления.Общее изменение давления находится итеративно. Брагинский и Робертс (1995) предложили альтернативный метод, который использует приближение, чтобы избежать неуклюжих итераций.

    Рассмотрим эффект небольшого увеличения плотности δρ, который вызывает сокращение объема. При сохранении массы изменение радиуса равно 39, а изменение г равно 40. Изменение давления определяется интегрированием градиента гидростатического давления41. Изменение объема при замерзании также вызывает изменение давления.Рассмотрим изменение после увеличения внутреннего радиуса сердечника δ r i . Изменение радиуса равно 42, где f — относительное изменение объема при замораживании. Изменение г просто связано с тем, что из-за дополнительной массы ниже радиуса r : 43 и изменение давления просто 44 Скорость увеличения плотности только за счет охлаждения равна 45 Скорость увеличения r i дана по ур. (35) и также пропорционален скорости охлаждения реликтового излучения.Рассмотрим изменения на небольшом интервале времени dt . Температура реликтового излучения изменится на δ T c , плотность изменится на 46 и 47 в уравнениях (39) — (44), чтобы получить δ p v , δ p f , δ r и δ r f . Уравнения (39) — (44) нелинейны, поскольку плотность в правой части зависит от давления. Решаем их итеративно. Общее изменение давления δ p = δ p v + δ p f вызывает дальнейшее изменение плотности: 48 и дальнейшее изменение радиуса внутреннего ядра, поскольку увеличение давления увеличивает температура плавления (рис.2): 49 Добавляются дополнительные изменения ρ и r i и пересчитывается давление. Итерация переходит к сходимости.

    Рисунок 2

    Рост внутреннего ядра с увеличением давления. Температура плавления увеличивается на Δ T = dT м / dp Δ p , внутренний радиус ядра увеличивается на Δ r , где новая кривая точки плавления встречается с адиабатой. AE = T м ′ Δ r и AB = T a ′ Δ r T = AE AB , и перестановка дает Δ r = [ dT м / dp / ( T м ′ — T a ′) ] Δ стр. .

    Рисунок 2

    Рост внутреннего ядра с увеличением давления. Температура плавления увеличивается на Δ T = dT м / dp Δ p , внутренний радиус ядра увеличивается на Δ r , где новая кривая точки плавления встречается с адиабатой. AE = T м ′ Δ r и AB = T a ′ Δ r . Δ T = AE AB , и перестановка дает Δ r = [ dT м / dp / ( T м ′ — T a ′) ] Δ стр. .

    Это определяет δ p в терминах δ T c и, следовательно, скорость изменения давления во времени как числовой коэффициент в P T , умноженный на скорость охлаждения: 50

    3.6 Нагрев под давлением

    Вклады объемного давления в уравнения энергии и энтропии были рассчитаны численно исходя из скорости увеличения давления: 5152 Нагрев давлением появляется вместе с удельной теплотой везде в уравнениях и помогает управлять динамо так же, как и удельная теплоемкость.

    Изменения давления трудно вычислить из-за итеративного характера вычислений, но интуиция подсказывает, что они небольшие. Здесь они были рассмотрены довольно подробно из-за разногласий в литературе по поводу судьбы изменения гравитационной энергии Земли.Однако сложные численные расчеты — не лучший способ исключить физический процесс, который в остальном правдоподобен, и читатель может, как и авторы, предпочесть следующий более качественный аргумент.

    Во-первых, преобразуйте термин нагрева под давлением Q P , рассматривая p как функцию плотности и температуры: 5354, где мы использовали обычное определение для K T и термодинамическое соотношение55 Мы пренебрегаем различием между K T и модуль объемной упругости, полученный из сейсмологии, K S , который имеет порядок K T αγ T с αγ T ≈ 0.05. Преобразование первого члена справа в ур. Тогда (54) с уравнением сохранения массы дает56

    Рассмотрим два члена в скобках в правой части. Первый — это скорость дилатации · u . Второй — это скорость изменения относительного объема из-за охлаждения, но она вычитается из общей скорости расширения. Таким образом, величина в скобках представляет собой степень усадки, вызванную только увеличением давления.

    Второй член в правой части ур.(56) имеет ту же форму, что и удельный вклад тепла Q S в ур. (30). Отношение подынтегральных выражений составляет 57, где мы снова аппроксимировали K T с K S . Таким образом, этот вклад в подачу тепла составляет лишь около 5% от удельной теплоемкости. Обратите внимание, что на самом деле он вычитается: на самом деле это радиатор. Изменение объема только из-за давления, которое само возникает только из-за изменений плотности, вероятно, даже меньше, чем непосредственно из-за температуры (оценки для однородной сферы дают отношение давления к влиянию температуры на плотность как 4 p /3 K S ≈ 0.3). Этот аргумент приводит нас к мысли, что Q P представляет собой небольшой процент от удельной теплоемкости, в пределах допустимых, насколько нам известно, C p . Аналогичный аргумент позволяет нам сравнить первый член на правая часть уравнения. (56) к работе, совершаемой силами давления при сжатии,. Отношение подынтегральных функций в этом случае равно 58, поэтому общий вклад Q P не должен превышать 20% работы, выполняемой силами давления, и, вероятно, будет намного меньше, поскольку наша оценка включала тепловое сжатие.Это подтверждается детальными расчетами (см. Таблицу 3 в разделе 4.3).

    3

    Результаты для охлаждения. «Percent p » дает процент роста внутреннего ядра, вызванного изменениями давления; остальное происходит от охлаждения. Единицы: dT / dt in K Gyr −1 ; dr i / dt в км млрд. Лет −1 ; Возраст IC в млн. Лет.

    3

    Результаты для охлаждения. «Percent p » дает процент роста внутреннего ядра, вызванного изменениями давления; остальное происходит от охлаждения.Единицы: dT / dt in K Gyr −1 ; dr i / dt в км млрд. Лет −1 ; Возраст IC в млн. Лет.

    3,7 Влияние давления на замерзание

    Повышение давления повышает температуру плавления железа и вызывает дополнительный рост внутреннего ядра. Изменение давления Δ p вызывает увеличение внутреннего радиуса сердцевины (рис. 2), определяемого формулой 59 Таким образом, вклад тепла равен 60, а соответствующая энтропия равна 61 Q PL имеет ту же форму, что и скрытая теплота Q L в экв.(36) и может рассматриваться просто как улучшение L . Замена L на в ур. (36) by62 дает сумму Q L + Q PL .

    3.8 Изменение объема при замерзании: аномалия теплового расширения

    Müller & Häge (1979) вычислили изменение гравитационной энергии Земли, возникающее в результате изменения объема при замерзании. Плотность жидкого железа увеличивается при замерзании, вызывая сжатие всей Земли и потерю гравитационной энергии.Что происходит с этой энергией? Согласно расчетам, сделанным Müller & Häge (1979), более 70 процентов этого материала становится доступным для привода динамо-машины, что противоречит оценке Лопера (1978) в 30 процентов. Как и гравитационная энергия, высвобождаемая при тепловом сжатии, единственная часть этой энергии, которая может приводить в движение динамо-машину, — это нагрев давлением. Теперь мы покажем, что это нагревание под давлением точно равно скрытой теплоте, выделяемой при повышении температуры плавления за счет более высокого давления, указанного в уравнении.(60).

    Мы рассматриваем изменение объема при замерзании как сингулярность теплового расширения, точно так же, как скрытая теплота рассматривалась как особенность удельной теплоемкости. Пусть дробное уменьшение объема при замораживании составляет f . Падение температуры Δ T вызывает относительное изменение объема из-за теплового сжатия и увеличение внутреннего радиуса сердцевины Δ T / ( T м ′ — T a ′) с последующим относительным объемом изменить 4π r 2 i f Δ T / ( T m ′ — T a ′).Это изменение объема от замерзания можно включить в коэффициент теплового расширения, переопределив его как 63 Подставив дополнительный вклад в ур. (56) для Q P дает64 Уравнение Клапейрона связывает изменение объема при замерзании и скрытой теплоте с градиентом точки плавления. В настоящих обозначениях это 65 Подставляя ур. (65) в ур. (64) для исключения f в пользу L дает 66, которое представляет собой скрытую теплоту, выделяемую в результате дополнительного замораживания, вызванного изменением давления.

    Этот анализ показывает, что изменение объема при замерзании не содержит каких-либо новых источников энергии для динамо-машины, как утверждают Müller & Häge (1979), оно просто заставляет внутреннее ядро ​​замерзать быстрее, чем при одном только изменении температуры, тем самым высвобождая больше скрытая теплота.

    3,9 Рассеивание

    Прирост энтропии от термодиффузии 67 оценивается с использованием адиабатической температуры. Диапазон адиабатических градиентов, используемый в этой статье, дает E k в диапазоне 2–5 × 10 8 W K −1 .Увеличение энтропии от омического нагрева требует модели магнитного поля и электрических токов в сердечнике68. Мы знаем магнитное поле на поверхности сердечника, но не внутри него. Это устанавливает нижнюю границу для E Φ , но реальное значение намного больше. Внутри сердечника должно существовать тороидальное поле, и оно может быть намного больше наблюдаемого полоидального поля. Во-вторых, омический нагрев критически зависит от масштаба магнитного поля внутри сердечника, и если он невелик, омический нагрев будет большим.Габбинс (1979) использовал кинематические модели динамо, с дипольным моментом, масштабируемым к сегодняшнему дипольному моменту Земли. Теперь у нас есть динамические модели динамо, которые дают несколько более реалистичную оценку E Φ , но они все равно будут заниженными. Контрольный динамо (Christensen 1999) имеет слабое внутреннее магнитное поле и дает E Φ ≈ 2 × 10 5 W K −1 , не намного больше, чем нижняя граница, обсужденная Gubbins (1979). Модель динамо Kuang & Bloxham (1997) имеет более реалистичное магнитное поле и дает E Φ ≈ 4 × 10 7 W K −1 (Bloxham, личное сообщение).Робертс (2002) обсуждает омический нагрев в ядре, основываясь на моделировании геодинамо Глацмайера и Робертса (1996) и рассмотрении мелкомасштабных магнитных полей. Они достигают значения 2 ТВт для омического нагрева, что для средней температуры ядра 4500 К дает E Φ = 4 × 10 8 Вт K −1 . Эта оценка значительно больше, чем в численном моделировании, из-за включения мелкомасштабных полей. Мы считаем, что более крупная цифра является лучшей оценкой для ядра.

    Вкладом вязкости обычно пренебрегают, поскольку молекулярная вязкость настолько мала, но в настоящее время широко признано, что конвекция ядра является сильно турбулентной, и более подходящая турбулентная вязкость на шесть или более порядков больше. Однако даже при этом гораздо большем значении вклад в энтропию диссипации остается небольшим, поскольку кинетическая энергия намного меньше, чем магнитная энергия. Мы должны иметь в виду, что вязкий вклад может быть значительным, если мелкомасштабная турбулентность будет намного сильнее, чем это считается в настоящее время.

    Мы предполагаем, что общая энтропия рассеяния составляет 10 9 Вт K −1 , что эквивалентно предположению, что E Φ и E k сопоставимы по величине. Это может быть завышенная оценка в 5 раз или недооценка. Основные результаты пропорциональны этой величине, поэтому легко оценить их чувствительность к изменениям предполагаемого значения.

    3.10 Два простых уравнения

    Мы используем ур.(70) для определения комбинаций h и DT c / Dt , которые дают левую часть, которая зафиксирована на 10 9 W K -1 . Мы вычисляем два отдельных случая, один без охлаждения и один без внутреннего нагрева; Тогда просто оценить результаты для комбинации двух.

    Мы используем уравнение энергии. (69) для вычисления теплового потока через реликтовое излучение, Q , после установления источника тепла и скорости охлаждения.Уравнение (35) дает скорость роста внутреннего ядра по скорости охлаждения.

    4 Расчеты и результаты

    Коэффициенты в уравнениях (69) и (70) представляют собой интегралы по свойствам сердцевины: температуре, плотности, сжимаемости, тепловому расширению, удельной и скрытой теплоте, теплопроводности и электропроводности, а также температуре плавления и ее производной по давлению. За исключением проводимости, для которой мы используем общие значения, указанные в литературе, мы могли получить все эти свойства из первых принципов (FP) расчетов на железе.Однако более реалистично и точно использовать результаты сейсмологии везде, где это возможно. Мы используем модель PREM (Dziewonski & Anderson 1981).

    Каждый член зависит от температуры внутри активной зоны, которая получается путем интегрирования адиабатического градиента от ICB к CMB. Начальная температура определяется по температуре плавления сплава железа во внешнем сердечнике. Мы рассматриваем сердечник из чистого железа и используем свойства железа с одним исключением: мы используем более низкую температуру ICB, чтобы допустить понижение температуры плавления из-за примесей во внешнем сердечнике (около 800 K).

    4.1 Расчеты из первых принципов для определения свойств чистого железа

    Термодинамические свойства чистого железа были извлечены из свободной энергии Гельмгольца, которая была рассчитана как функция объема и температуры с использованием моделирования из первых принципов . Моделирование FP было выполнено на системах, содержащих до ≈100 атомов Fe, в которых ядра рассматриваются как классические частицы, а электроны обрабатываются полностью квантово-механически.Движение ионов адиабатически отделено от движения электронов, и это приближение оправдано большой разницей масс между ионами Fe и электронами. Расчеты квантовой механики для электронов основаны на теории функционала плотности (DFT) (Hohenberg & Kohn 1964; Kohn & Sham 1965), которая является формулировкой квантовой механики, альтернативной уравнению Шредингера. ДПФ является точным в принципе, хотя для решения проблемы на практике требуется фундаментальное приближение для так называемой обменно-корреляционной энергии .Мы использовали приближение обобщенного градиента (Wang & Perdew 1991), которое, как оказалось, дает результаты, хорошо согласующиеся с экспериментом по структурным и колебательным свойствам Fe (Stixrude 1994; Söderlind 1996; Vočadlo 1997; Alfè 2000a).

    Ключевой величиной для расчета термодинамических свойств Fe является свободная энергия Гельмгольца71, где N — число частиц в системе, Λ = ч / (2π Mk B T ) 1/2 — это тепловая длина волны, M — масса ядра, h постоянная Планка, k B постоянная Больцмана и β = 1/ k B T .Многомерный интеграл распространяется на весь объем системы V . Прямое вычисление F с использованием приведенного выше уравнения невозможно, так как это потребует знания потенциальной энергии U ( R 1 ,… R N ; T ) для всех возможных положений атомов N в системе. Вместо этого мы используем метод, известный как термодинамическое интегрирование (см., Например, Frenkel & Smit 1996), разработанный в более ранних статьях (Sugino & Car 1995; de Wijs 1998; Alfè 1999a).Это общая схема для вычисления разности свободной энергии F 1 F 0 между двумя системами с потенциальной энергией U, , , 1 и U, , , 0 , соответственно. Основная идея состоит в том, что F 1 F 0 представляет собой обратимую работу, совершаемую при непрерывном и изотермическом переключении энергетической функции с U 0 на U 1 .Для этого переключения функция энергии с непрерывным изменением U λ определяется как 72, так что энергия идет от U 0 до U 1 при изменении λ от 0 до 1. В классической статистической механике , работа, выполненная при бесконечно малом изменении d λ is73, где 〈·〉 λ представляет собой среднее тепловое значение, оцененное для системы, управляемой U λ . Отсюда следует, что74. На практике эта формула может быть применена путем вычисления 〈 U 1 U 0 λ для подходящего набора значений λ и выполнения численного интегрирования.Среднее значение 〈 U 1 U 0 λ оценивается путем выборки по пространству конфигурации. В нашем случае отбор проб производится с помощью молекулярной динамики FP.

    Тогда свободная энергия Гельмгольца системы равна F = F 0 + ( F F 0 ), поэтому, если кто-то знает свободную энергию системы отсчета F 0 имеется полная схема для расчета свободной энергии системы ab initio F .Важно подчеркнуть, что выбор системы отсчета не влияет на окончательный ответ для F , но влияет на эффективность расчетов. Это можно понять, проанализировав величину 〈 U 1 U 0 λ , которая представляет собой среднее тепловое значение разности потенциальной энергии между двумя системами. Если эта разница имеет большие колебания, тогда потребуется очень долгое моделирование для вычисления среднего значения с достаточной статистической точностью.Более того, при неразумном выборе U 0 величина 〈 U 1 U 0 λ может сильно зависеть от λ, так что потребуется большое количество вычислений при разных значения λ, чтобы вычислить интеграл в уравнении. (74) с достаточной точностью. В таком случае крайне важно найти хорошую систему отсчета, где под хорошей подразумевается система, для которой колебания значений U 1 U 0 минимальны.

    Для жидкого Fe мы обнаружили, что исключительно хорошая эталонная система представляет собой простую сумму обратных потенциалов мощности: 75, где φ ( r ) = B / r α , при этом B и α регулируются. для минимизации колебаний разницы между U IP и ab initio энергии. Свободная энергия обратного потенциала мощности была рассчитана с использованием термодинамического интегрирования, в котором опорным потенциалом был потенциал Леннарда-Джонса, для которого свободная энергия была вычислена и описана в Johnson (1993).В качестве проверки согласованности мы также выполнили термодинамическое интегрирование, используя идеальный газ в качестве эталонной системы, и получили те же результаты в пределах точности 0,5 кДж моль -1 .

    Мы оцениваем ошибку ≈1.5 кДж моль −1 в F , которая распространяется в производных величинах. Поскольку свободная энергия соответствует полиномиальной форме, каждое дифференцирование F понижает порядок полинома на единицу, что приводит к ухудшению качества соответствующих термодинамических величин.Мы оцениваем ошибку в несколько процентов в γ, α и C p .

    Результирующие параметры приведены в столбце CORE в таблице 1. C p и γ не зависят от давления в пределах точности расчета. α сильно уменьшается с давлением, как показано на рис. 3. Большинство этих параметров довольно прозрачно влияют на решение по выделению тепла и скорости охлаждения, что позволяет легко оценить влияние ошибок на окончательное решение без дополнительных расчетов, за исключением температуры, который входит в большинство интегралов, иногда вместе с его градиентом.Поэтому в следующем разделе мы сделаем некоторые сравнения различных температурных моделей, чтобы оценить возможные неопределенности.

    1

    Сравнение числовых значений между двумя предыдущими вычислениями и новыми значениями. Если количество меняется в зависимости от давления, указывается диапазон, сначала давление на ICB. Изменение α для модели CORE показано на рис. 3. Единицы: α × 10 −5 K −1 ; C p дюймов Дж кг −1 K −1 ; L × 10 6 Дж кг −1 ; k дюйм Вт · м −1 K −1 ; T i в К; градиенты температуры в КГПа −1 .

    1

    Сравнение числовых значений между двумя предыдущими вычислениями и новыми значениями. Если количество меняется в зависимости от давления, указывается диапазон, сначала давление на ICB. Изменение α для модели CORE показано на рис. 3. Единицы: α × 10 −5 K −1 ; C p дюймов Дж кг −1 K −1 ; L × 10 6 Дж кг −1 ; k дюйм Вт · м −1 K −1 ; T i в К; градиенты температуры в КГПа −1 .

    Рисунок 3

    Коэффициент теплового расширения для модели CORE в единицах 10 −5 K −1 .

    Рисунок 3

    Коэффициент теплового расширения для модели CORE в единицах 10 −5 K −1 .

    4.2 Модели для сравнения по температуре

    Свойства активной зоны, использованные в трех исследованиях, сравниваются в таблице 1: CORE — это настоящая модель, основанная на расчетах FP, модифицированных путем снижения температуры на 800 K с учетом более низкой точки плавления смеси.LPL97 от Labrosse (1997), а GMJ79 относится к Gubbins (1979). Единственные существенные различия заключаются в α и γ и их изменении с давлением: они влияют на радиальное изменение адиабатического градиента. Модель LOWT включена для оценки влияния более низкой внутренней температуры. Он имеет γ = 1,5 и T i = 4500 K, что на 1000 K холоднее, чем у CORE.

    Адиабатическая температура вычисляется интегрированием ур. (28). Расчеты относительно нечувствительны к неопределенностям и вариациям α, если мы не используем форму уравнения.(28), который содержит α явно, как это сделал Лабросс (1997). Они фактически предположили, что αρ / C p не зависит от давления, чтобы получить адиабатический градиент с простой аналитической формой. Это эквивалентно использованию ур. (28) с γ, пропорциональным φ / ρ, следовательно, из-за термодинамического определения 83 Лабросса (1997) γ увеличивается с давлением; в других моделях γ либо почти постоянна, либо убывает с давлением (таблица 1). Губбинс (1979) считал γ, удовлетворяющую (∂φ / ∂ T ) P ≈ −2000 м 2 с −2 K −1 91 Используя эту оценку в уравнении.(87) дает после некоторых манипуляций 92, которое интегрируется в 93, где A — постоянная интегрирования. Это согласуется с более ранним анализом данных по ударным волнам, проведенным Jeanloz (1979).

    В эту статью мы включаем две модели с γ на основе ур. (93), отчасти для того, чтобы представить крайний случай, а отчасти для сравнения с предыдущей работой Габбинса (1979). Это дает четыре различных варианта γ. Пятая модель имеет более низкую температуру ICB.

    • Модель CORE с собственным адиабатическим градиентом температуры, соответствующим γ≈1.5

    • Модель LPL97 с использованием параметров Лабросса (1997).

    • Модель CMB, как CORE, но с γ, заданным уравнением. (93) и A выбраны так, что γ = 1.5 на CMB.

    • Модель ICB, как CORE, но с γ, заданным уравнением. (93) и A выбраны так, что γ = 1,5 на ICB. Это в целом имеет существенно более высокий γ.

    • Модель LOWT, как CORE, но с T i = 4500 K.

    Модели (3) и (4) аналогичны моделям в Gubbins (1979) и с (2) дают сравнение с ранее опубликованными работами.

    Соответствующие адиабатические температуры показаны на рис. 4. Различия невелики, наибольшее из которых связано с влиянием более низких температур плавления в LPL97 и LOWT и более крутым градиентом, вызванным большим средним γ модели ICB. В следующем разделе будет показано, что их влияние на расчеты энергии невелико, подтверждая простое приближение, сделанное Лаброссом (1997).

    Рисунок 4

    Адиабатические градиенты температуры для различных моделей.

    Рисунок 4

    Градиенты адиабатической температуры для различных моделей.

    4.3 Результаты

    Результаты для равномерного радиоактивного нагрева приведены в таблице 2. E k и Q k , тепло, проводимое в CMB вниз по адиабате, зависит только от параметров модели, а не от скорости охлаждения или радиоактивности. обогрев. Все модели предполагают очень высокий тепловой поток через реликтовое излучение — от 50 до 75 процентов теплового потока поверхности Земли и, соответственно, большое количество радиогенного материала.Большинство сочло бы эти количества слишком большими, чтобы соответствовать какой-либо разумной тепловой истории всей Земли. Мы обсудим этот момент в следующем разделе.

    2

    Радиоактивные нагревательные модели. ч выражается в единицах: 10 −12 Вт кг −1 , Q в ТВт, E в M Вт K −1 . Q k — тепло, передаваемое по адиабате на CMB.

    2

    Модели с радиоактивным обогревом. ч выражается в единицах: 10 −12 Вт кг −1 , Q в ТВт, E в M Вт K −1 . Q k — тепло, передаваемое по адиабате на CMB.

    ICB — единственная модель, дающая существенно разные результаты. Они возникают из-за того, что эта модель имеет значительно больший γ по всему внешнему ядру (1,5–2,26), что дает больший адиабатический градиент. Интересно отметить, что эта модель требует наименьшего радиоактивного нагрева ( Q R ), несмотря на то, что большая часть тепла теряется за счет теплопроводности вниз по адиабате ( Q k ).Крутая адиабата создает большую разницу температур между ICB и CMB, что делает тепловой двигатель более эффективным. Более высокий КПД преодолевает лишнее тепло, теряемое за счет теплопроводности. Этот результат иллюстрирует опасность рассмотрения только тепла, проводимого по адиабате на CMB, при оценке мощности, необходимой для привода динамо-машины.

    Результаты для охлаждения приведены в таблице 3. Скорость увеличения внутреннего радиуса сердцевины рассчитывается по формуле. (35); возраст внутреннего керна вычисляется путем деления объема внутреннего керна на вычисленную объемную скорость замораживания, 4π r 2 i dr i / dt .Это предполагает постоянную скорость потери скрытого тепла и дает лишь очень приблизительную оценку возраста внутреннего ядра. Постоянная скорость охлаждения приведет к более старому возрасту внутреннего ядра. Более точные оценки требуют правильной тепловой истории, включая мантию, которая в конечном итоге контролирует скорость охлаждения ядра. Тепловые истории будут включены в будущие исследования.

    И снова тепловые потоки высоки, хотя несколько меньше, чем в моделях радиоактивного нагрева в Таблице 2, потому что скрытая теплота (и в некоторой степени выделяемая при охлаждении) появляется глубже в активной зоне при более высокой температуре, и, следовательно, энтропии больше.Это можно увидеть из таблицы 3, сравнив относительные вклады Q L (47 процентов) и E L (62 процента): вклад энтропии больше, поскольку скрытая теплота выделяется в ICB, самая горячая часть внешнего ядра.

    Нагрев под давлением, как и ожидалось, невелик и составляет лишь несколько процентов от общего количества тепла, проходящего через реликтовое излучение. Однако увеличение давления, вызванное сжатием, действительно приводит к значительному ускорению роста внутреннего ядра.Колонка процентов p в таблице 3 дает долю dr i / dt , которая возникает в результате повышения давления, а не снижения температуры. Это было предсказано Müller & Häge (1979), но это не новый источник энергии, как они предполагали: это просто более высокая скорость выделения скрытого тепла.

    Cooling обеспечивает сокращение на 5–10 км за 1 млрд лет для этих моделей. Плотность и давление увеличиваются на 1-2% одновременно.Максимальное изменение давления во внешнем ядре составляет около 6 ГПа; охлаждение мантии составляет всего 30 МПа. Дополнительный внутренний рост ядра, вызванный давлением, зависит от градиента плавления. Для модели CORE это 9 К ГПа −1 ; 6 ГПа повысили бы температуру плавления на 54 К и опередили бы ICB. Прогресс делится на 54, деленный на разницу между градиентами плавления и адиабатическим градиентом, которая для этой модели составляет 0,14 К км −1 : почти 400 км.

    Последняя модель в Таблице 3 такая же, как CORE, за исключением того, что скрытая теплота была установлена ​​на ноль, чтобы дать оценку скорости охлаждения, необходимой для приведения в действие динамо-машины в далеком прошлом, до того, как было сформировано внутреннее ядро.Скорость охлаждения и тепловой поток, как и ожидалось, намного больше, чем у других моделей.

    5 Обсуждение

    В настоящее время наблюдается впечатляющее согласие относительно свойств железа при температурах и давлениях ядра. Градиенты температуры довольно неопределенны, но результаты, показанные в таблицах 2 и 3, кажутся довольно нечувствительными к ним. Модель ICB имеет очень большое значение γ и должна считаться экстремальной. Это подтверждает утверждение Габбинса (1979) о том, что только γ, а не его производная по давлению d γ / dp , серьезно влияет на термодинамические оценки.Модель CORE дает результаты, очень похожие на LPL97, хотя возраст внутреннего ядра здесь намного меньше, потому что мы не учли композиционную конвекцию и наложили фиксированное требование энтропии. В дальнейшем для обсуждения мы будем использовать только модель CORE.

    Модель CORE требует слишком много тепла. Тепловой поток на поверхности Земли обычно принимается около 45 ТВт. Для радиоактивного нагрева CORE требуется, чтобы 70 процентов всего тепла на поверхности приходилось на активную зону. Большинство авторов ожидают, что из ядра будет поступать не более 25 процентов, а многие предпочли бы менее 10 процентов.Источником всего этого тепла является дополнительная проблема: ч = 16 × 10 −12 Вт кг −1 переводится в 0,2 мкВт м −3 , или около 30% текущих оценок радиоактивного нагрева в континентальная кора, где, как считается, сосредоточено большинство радиогенных элементов Земли.

    Охлаждение (таблица 3) дает немного меньшую потребность в тепле, но все же 46% теплового потока поверхности Земли. Высокая скорость охлаждения требует одновременного охлаждения мантии, что также вносит свой вклад в общий тепловой баланс.Если взять средний перепад температуры в мантии 100 K млрд лет −1 , половину от CMB и среднюю удельную теплоемкость 1200 Дж · кг −1 K −1 , получаем дополнительные 16 ТВт тепла от охлаждение мантии. Таким образом, на длительное похолодание приходится 81% теплового баланса, и очень мало остается радиоактивности где-либо на Земле. Быстрое охлаждение также быстро замораживает внутреннее ядро: кажется маловероятным, что внутреннее ядро ​​сформировалось менее чем за 300 млн лет.

    Все недавно опубликованные модели эволюции ядра имеют молодое внутреннее ядро ​​- обычно 1-2 млрд лет.Следовательно, существует потребность в каком-либо механизме для генерации магнитного поля до образования внутреннего сердечника. Композиционная конвекция не может работать без внутреннего ядра, потому что легкий материал выделяется при замерзании; остается только тепловая конвекция. Модель NOIC дает приблизительную оценку количества тепла, необходимого для работы динамо-машины без внутреннего сердечника. Скорость охлаждения очень высока, потому что нет скрытой теплоты: если внутреннему ядру всего 1 млрд лет, нам придется управлять динамо-машиной в течение 3 млрд лет с помощью этого механизма, вызывая падение температуры на 1700 K плюс падение температуры. последний 1 млрд.Эта очень высокая скорость охлаждения подразумевает очень высокие температуры и частично расплавленную нижнюю мантию в далеком прошлом.

    Мы должны явно снизить требования к теплу, чтобы модель работала. Самый главный недостаток — это отсутствие композиционной конвекции, которая присутствует в сопутствующей бумаге. Однако стоит изучить, как можно уменьшить тепловой поток путем корректировки параметров модели, прежде чем полностью исключить тепловую конвекцию как главную движущую силу геодинамо.Комбинация радиоактивного нагрева и охлаждения решила бы проблему слишком быстрого замораживания внутреннего ядра, но усугубила бы проблему сильного теплового потока в мантию. Точно так же повышение оценки удельной теплоты или скрытой теплоты замедлит замерзание внутреннего ядра, но оставит проблему теплового потока. Изменение градиента точки плавления также изменило бы скорость замерзания внутреннего ядра и снизило бы скорость охлаждения для того же теплового потока, но внутреннее ядро ​​замерзло бы еще быстрее.Уменьшение k уменьшает E k , но это также снижает электрическую проводимость, потому что они связаны через закон Видемана – Франца, и это увеличивает E Φ . Уменьшение адиабатического градиента уменьшает отвод тепла, но также снижает эффективность динамо (как показывают результаты для модели ICB).

    Надежный способ существенно уменьшить тепловой поток — это снизить требования к энтропии с 1000 МВт K -1 . E k дает что-то вроде нижней границы; выбор E = E k уменьшает все тепловые потоки пропорционально, наряду с h и скоростью охлаждения.Для модели CORE E k = 260 Вт K −1 , поэтому все уменьшается в 0,26 раза (а возраст внутреннего ядра увеличивается на 1 / 0,26). Возраст внутреннего ядра увеличивается до 1,0 млрд лет, скорость охлаждения падает до 44 тыс. Млрд. Лет −1 , а общий тепловой поток — до 5,3 ТВт, или 12% от общего теплового баланса. Для радиоактивного отопления общий тепловой поток составляет 8,2 ТВт (28%).

    Общий тепловой поток в обоих случаях меньше, чем тепло, передаваемое по адиабате ( Q k = 8.6 TW, Таблица 2), противоречие предположениям модели. Это противоречие можно разрешить, только допустив субадиабатический градиент температуры во внешней части активной зоны. Для модели охлаждения некоторая конвекция будет существовать глубоко в ядре, где адиабатический градиент не такой крутой. Для радиоактивного нагрева это может быть не так, потому что температура теплопроводности для равномерного распределения источников тепла аналогична адиабате: ядро ​​может стать субадиабатическим везде.

    Чтобы поддерживать конвекцию во всем ядре, мы должны иметь Q Q k , или 8,6 ТВт. Это значение Q составляет 19 процентов теплового потока поверхности Земли и дает E = 420 МВт K −1 : 160 для E Φ и 260 для E k , предполагая вязкость взносы незначительны. Этого достаточно, чтобы управлять динамо-машиной с магнитными полями нужной величины и масштабов длины, сравнимыми с таковыми в нынешнем поколении численного моделирования, но не с какими-либо значительными мелкомасштабными магнитными полями.Скорость охлаждения также снижается в 0,398 раза до 70 тыс. Млрд лет −1 , а возраст внутреннего ядра увеличился до 638 ​​млн лет.

    Установка Q = Q k в модели NOIC дает скорость охлаждения 331 тыс. Миллиардов лет −1 , что все еще является чрезвычайно высоким. Установка E = E k для той же модели дает 147 тыс. Миллиардов лет −1 . Дальнейшее снижение скорости охлаждения отключит всю конвекцию в активной зоне. Тогда тепло полностью переносится за счет теплопроводности.Этот крайний предел стоит изучить для модели NOIC, поскольку необходимая скорость охлаждения довольно велика.

    Конвекция прекращается, когда градиент проводимости становится меньше по величине, чем адиабатический градиент. Градиент проводимости удовлетворяет уравнению теплопроводности при подходящих граничных и начальных условиях. Граничные условия не представляют проблемы: решение должно быть регулярным в начале координат, а температура указывается на уровне реликтового излучения. Другое дело начальные условия: они зависят от раннего теплового состояния активной зоны, которое неизвестно.Профиль проводимости (его изменение с радиусом) обычно изменяется со временем, если только это не естественная мода распада. Самая медленная затухающая мода дает профиль проводимости, который удобно сравнивать с адиабатой; он представляет собой окончательный температурный профиль после того, как исчезнут все переходные процессы.

    Режим распада имеет вид 94, где j 0 — сферическая функция Бесселя ( j 0 ( x ) = sin x / x ), 95 q — скорость распада определяется скоростью охлаждения: 96, а κ — коэффициент температуропроводности97. Выбор числовых значений из таблиц в этой статье и скорости охлаждения 145 K Гр -1 дает профиль проводимости, который является субадиабатическим по всей активной зоне.150 K млрд лет −1 дает суперадиабатический градиент до радиуса 1300 км. Эти значения очень близки к значениям для E = E k , потому что профиль моды распада очень похож на адиабату во всем ядре. Поэтому требуется очень высокая скорость охлаждения для поддержания любой формы конвекции в полностью жидком ядре.

    6 Выводы

    • Свойства керна в настоящее время достаточно хорошо известны, чтобы расчет требований к мощности для геодинамо был надежным. Первые принципы Расчеты для жидкого железа в целом согласуются с другими оценками свойств активной зоны, по крайней мере, с точки зрения требований расчетов в этой статье.

    • Изменение гравитационной энергии Земли, вызванное тепловым сжатием и изменением объема при замерзании, является значительным (4–10 ТВт в этих моделях), но большая часть этого не способствует движению динамо-машины. Повышение давления, связанное с термическим сжатием, вызывает некоторый нагрев, добавляя около 2% к общему тепловому потоку.Изменение гравитационной энергии, связанное с изменением объема при замерзании, согласно уравнению Клапейрона, равно скрытой теплоте, выделяемой при замерзании, вызванной повышением температуры плавления, связанным с повышенным давлением — это не новый источник энергии для динамо.

    • Тепловая конвекция термодинамически неэффективна для генерации магнитных полей, и все модели требуют большого теплового потока для пересечения границы ядро-мантия. Экстремальная модель, в которой конвекция просто поддерживается во всем ядре, требует 12.5 ТВт для радиоактивного нагрева и 8,6 ТВт для охлаждения. Для более реалистичных моделей требуется вчетверо больше этого значения.

    • Если геодинамо приводится в движение за счет охлаждения, возраст внутреннего ядра может быть менее 1 млрд лет, предпочтительный возраст — менее 300 млн лет. Поддержание магнитного поля до формирования внутреннего сердечника требует очень высоких скоростей охлаждения. Без внутреннего ядра все тепло могло бы переноситься теплопроводностью при скоростях охлаждения до 145 K млрд. Лет -1 , что намного выше, чем предполагают большинство тепловых историй.Таким образом, геодинамо накладывает очень сильное ограничение на раннюю термическую историю Земли, которое должно быть полезно для исключения многих спекулятивных моделей.

    Дальнейшее геофизическое обсуждение отложено до статьи II, которая включает композиционную конвекцию.

    Благодарности

    Эта работа была частично поддержана грантом консорциума NERC O / 2001/00668. Во время этой работы DG был поддержан Фондом Сесила и Иды Грин в Ла-Хойе в виде стипендии.TGM выражает признательность за поддержку гранту NSF EAR0l-12289. DA поддерживается Королевским обществом через университетскую исследовательскую стипендию.

    Список литературы

    ,

    1998

    .

    Моделирование жидкого Fe-S из первых принципов в условиях ядра Земли

    ,

    Phys. Ред.

    , B,

    58

    ,

    8248

    8256

    .

    ,

    1999

    а.

    Кривая плавления железа при давлениях в ядре Земли

    ,

    Nature

    ,

    401

    ,

    462

    464

    .

    ,

    1999

    б.

    Кислород в ядре Земли: исследование из первых принципов

    ,

    Phys. Планета Земля. Интер.

    ,

    110

    ,

    191

    210

    .

    ,

    2000

    а.

    Структура и динамика жидкого железа в условиях ядра Земли

    ,

    Phys. Ред.

    , B,

    61

    ,

    132

    142

    .

    ,

    2000

    б.

    Ограничения на состав ядра Земли из ab-initio расчетов

    ,

    Nature

    ,

    405

    ,

    172

    175

    .

    ,

    2002

    а.

    Ab initio химические потенциалы твердых и жидких сплавов и химия ядра Земли

    ,

    J. Chem. Phys.

    ,

    116

    ,

    7127

    7136

    .

    ,

    2002

    б.

    Железо в условиях ядра Земли: термодинамика жидкого состояния и кривая плавления при высоком давлении из ab initio расчетов

    ,

    Phys. Ред.

    , B,

    65

    , 165118,

    1

    11

    .

    ,

    1994

    .

    Уравнение состояния жидкого железа и последствия для ядра Земли

    ,

    J. geophys. Res.

    ,

    99

    ,

    4273

    4284

    .

    ,

    1975

    .

    Грубые термодинамические тепловые двигатели в глубоких недрах Земли

    ,

    Proc. Natl Acad. Sci.

    , США ,

    72

    ,

    1555

    1558

    .

    ,

    1963

    .

    Строение F-слоя и причины конвекции в ядре Земли

    ,

    Докл. Акад. Наук. СССР англ. Пер.

    ,

    149

    ,

    1311

    1314

    .

    ,

    1995

    .

    Уравнения ядра Земли и геодинамо

    ,

    Geophys. астрофизики. Fluid Dyn.

    ,

    79

    ,

    1

    97

    .

    ,

    1996

    .

    О тепловой эволюции ядра Земли

    ,

    J. geophys. Res.

    ,

    101

    ,

    7989

    8006

    .

    ,

    1950

    .

    Передача тепла от ядра Земли

    ,

    Пн.Нет. R. astr. Soc.

    ,

    6

    ,

    36

    41

    .

    ,

    1999

    .

    Численное моделирование геодинамо: систематическое изучение параметров

    ,

    Geophys. J. Int.

    ,

    138

    ,

    393

    409

    .

    ,

    1998

    .

    Вязкость жидкого железа в физических условиях ядра Земли

    ,

    Nature

    ,

    392

    ,

    805

    807

    .

    ,

    1981

    .

    Предварительная эталонная модель Земли

    ,

    Phys. Планета Земля. Интер.

    ,

    25

    ,

    297

    356

    .

    ,

    1996

    .

    Понимание молекулярного моделирования

    ,

    Academic

    , New York.

    ,

    1996

    .

    Моделирование неупругого эволюционного геодинамо, основанное на композиционной и тепловой конвекции

    ,

    Physica

    , D,

    97

    ,

    81

    94

    .

    ,

    1977

    .

    Энергетика ядра Земли

    ,

    J. Geophys.

    ,

    43

    ,

    453

    464

    .

    ,

    1979

    .

    Приводные механизмы динамо-машины Земли

    ,

    Доп. Geophys.

    ,

    21

    ,

    1

    50

    .

    ,

    1979

    .

    Термическая эволюция ядра Земли

    ,

    Geophys.J. R. astr. Soc.

    ,

    59

    ,

    57

    99

    .

    ,

    1979

    .

    Изменение размеров, напряжений и гравитационной энергии Земли из-за кристаллизации на внутренней границе ядра в изохимических условиях

    ,

    Geophys. J. R. astr. Soc.

    ,

    58

    ,

    495

    508

    .

    ,

    1975

    .

    Диссипативный нагрев в конвективных потоках

    ,

    Дж.Жидкий мех.

    ,

    68

    ,

    721

    738

    .

    ,

    1964

    .

    Неоднородный электронный газ

    ,

    Phys. Ред.

    , B,

    136

    ,

    864

    871

    .

    ,

    1979

    .

    Свойства железа при высоких давлениях и состояние керна

    ,

    J. geophys. Res.

    ,

    84

    ,

    6059

    6069

    .

    ,

    1993

    .

    Уравнение состояния Леннарда-Джонса еще раз

    ,

    Мол. Phys.

    ,

    78

    ,

    591

    618

    .

    ,

    1965

    .

    Самосогласованные уравнения, включая обменные и корреляционные эффекты

    ,

    Phys. Ред.

    ,

    140

    ,

    A1133

    A1138

    .

    ,

    1997

    .

    Цифровая динамо-модель земного типа

    ,

    Nature

    ,

    389

    ,

    371

    374

    .

    ,

    1997

    .

    Об охлаждении ядра Земли

    ,

    Phys. Планета Земля. Интер.

    ,

    99

    ,

    1

    17

    .

    ,

    2003

    .

    Выражения для рассеяния, вызванного конвекцией в ядре Земли

    ,

    Phys. Планета Земля. Интер.

    , в печати.

    ,

    1995

    .

    Сила и эффективность тепловой и композиционной конвекции в геодинамо

    ,

    Phys.Планета Земля. Интер.

    ,

    91

    ,

    17

    30

    .

    ,

    1978

    .

    Динамо-машина с гравитационным приводом

    ,

    Geophys. J. R. astr. Soc.

    ,

    54

    ,

    389

    404

    .

    ,

    1984

    .

    Тепловые и магнитные ограничения на охлаждение Земли

    ,

    Geophys. J. R. astr. Soc.

    ,

    76

    ,

    653

    666

    .

    ,

    1979

    .

    Комментарии к «Динамо-машине с гравитационным приводом»

    от,

    Geophys. J. R. astr. Soc.

    ,

    58

    ,

    509

    514

    .

    ,

    2000

    .

    Введение в физику недр Земли,

    Cambridge University Press

    , Кембридж.

    ,

    2002

    .

    Потоки энергии и омическая диссипация в ядре Земли

    , в

    Earth’s Core and Lower Mantle,

    eds,

    Taylor and Francis

    , London.

    ,

    1996

    .

    Первые принципы теории железа вплоть до давлений в ядре Земли: структурные, колебательные и упругие свойства

    ,

    Phys. Ред.

    , B,

    53

    ,

    14 063

    14 072

    .

    ,

    1999

    .

    Гравитационная энергия эволюции ядра: влияние на тепловую историю и мощность геодинамо

    ,

    Phys. Планета Земля. Интер.

    ,

    110

    ,

    83

    93

    .

    ,

    1994

    .

    Железо при высоком давлении: расчеты линеаризованных-дополненных плоских волн в приближении обобщенного градиента

    ,

    Phys. Ред.

    , B,

    50

    ,

    6442

    6445

    .

    ,

    1995

    .

    Ab-initio молекулярно-динамическое исследование фазовых переходов первого рода — плавление кремния

    ,

    Phys. Rev. Lett.

    ,

    74

    ,

    1823

    1826

    .

    ,

    1961

    .

    Тепловой баланс ядра Земли

    ,

    Geophys. J. R. astr. Soc.

    ,

    4

    ,

    276

    281

    .

    ,

    1997

    .

    Расчеты из первых принципов кристаллического и жидкого железа в условиях ядра Земли

    ,

    Диск Фарадея.

    ,

    106

    ,

    205

    217

    .

    ,

    1999

    .

    Структура железа в условиях внутреннего ядра Земли

    ,

    Geophys. Res. Lett.

    ,

    26

    ,

    1231

    1234

    .

    ,

    1991

    .

    Корреляционное отверстие спин-поляризованного электронного газа с точным малым волновым вектором и высокой плотностью масштабирования.

    Phys. Ред. B

    ,

    44

    ,

    13 298

    13 307

    .

    Заметки автора

    © 2003 РАН

    Как обогреть и охладить дом без электричества

    Электричество, проходящее через огромную медную паутину, в конце концов проникает в наши дома, обеспечивая бесконечный запас энергии, необходимый для контроля температуры.Это дорого, и в некоторых местах кондиционер может легко покрыть половину счета за электричество. Оплата этого содержания может даже иметь значение между жизнью и смертью в экстремальных климатических условиях. К счастью, есть и другие варианты. Используя альтернативные методы строительства, можно спроектировать дома, которые пассивно обогревают и охлаждают себя в течение всего года — без электричества!

    Земля и Солнце обеспечивают всю необходимую нам энергию, предлагая множество преимуществ по сравнению с традиционной системой отопления, вентиляции и кондиционирования воздуха:

    • Отсутствие покупки, установки или ремонта HVAC
    • Потребление электроэнергии снижено вдвое
    • Неограниченный источник отопления и охлаждения
    • Экологически чистый
    • Отсутствие зависимости от обширных сетевых систем
    • Снижает шумовое загрязнение в помещении

    Все в этой статье написано с точки зрения северного полушария. Если вы находитесь в южном полушарии, замените юг на север во всем.

    Изображение Питера Ветша, доступно по лицензии Creative Common CC-BY-SA 3.0

    Solar Gain

    Солнечная энергия — это наш хлеб с маслом, определяемый как повышение температуры объекта из-за солнечного излучения. На эту температуру влияет время, в течение которого происходит воздействие солнечного света, сила излучения и теплопроводность контактирующего вещества. Это касается не только предметов, но и самого пустого пространства. Как только объект или пространство нагревается, становится доступно гораздо больше инструментов: тепловая масса для хранения, изоляция для захвата, конвекция для циркуляции и даже методы для предотвращения этого в другом месте.

    Тепловая масса

    Если объект имеет большую тепловую массу, он способен сохранять тепло в течение длительных периодов времени. Хотя он не будет хранить его вечно, изменение будет медленным. Это явление напрямую коррелирует с плотностью материала, проводимостью, размером и любыми перепадами температур в нескольких областях всего объекта.

    При проектировании системы пассивного отопления наиболее важными являются две тепловые массы:
    1.) Земля
    и 2.) Сам дом.

    Температура земли ниже линии заморозков остается постоянной в течение года и колеблется в пределах 50–60 градусов по Фаренгейту. Летом существует потенциальный охлаждающий эффект, а зимой — нагревательный эффект. Закапывая конструкцию в землю или закладывая ее в землю, вы можете зафиксировать базовую температуру менее суровую, чем температура атмосферы.

    Используя материалы с высокой тепловой массой в сочетании с прямыми солнечными лучами, вы можете «зарядить» конструкцию.Солнечная энергия будет захвачена, а затем медленно выпущена обратно в соседние пространства. Тепловая энергия может храниться в полу, стенах или в любом другом месте, где достаточно солнечного света.

    Изоляция

    Изоляция — тактика, которую широко используют традиционные дома. Именно воздушные карманы, заключенные в термостойком материале, делают его наиболее эффективным. При максимально возможном количестве захваченного газа и минимальной плотности процесс естественной конвекции затрудняется, замедляя теплопередачу.Во многих отношениях изоляция противоположна тепловой массе. Хотя такие материалы, как камень, обладают высокой плотностью и сохраняют тепло, они не обязательно обеспечивают изоляцию. Между камнем и прилегающими к нему материалами возникает теплопроводность, температура меняется до тех пор, пока они не сравняются. Материалы, которые эффективны для изоляции, замедлят или остановят этот процесс.

    Совместное использование тепловой массы и изоляции создает новые возможности для пассивного контроля тепла, особенно если вы изолируете участки тепловой массы внутри толстых стен и земляных валов.Такой подход удерживает большие запасы температуры, но в то же время излучает тепло обратно в дом ночью. (Или даже в течение нескольких месяцев, как описано в разделе «Годовое геосолнечное отопление»). Пример эффективной тепловой массы и совместных усилий по изоляции можно увидеть в методе «термообертывания» :

    Ориентация

    Дом с оптимальным расположением будет учитывать сезонную арку солнца. Исполнение будет отличаться в зависимости от вашего климата и того, является ли обогрев более приоритетным, чем охлаждение.Наклоните окна дома под прямым углом к ​​югу, чтобы использовать как можно больше солнечной энергии в интерьере. С другой стороны, на северной стороне должно быть как можно меньше окон и зазоров для предотвращения выхода воздуха.

    Чтобы получить больше тепла, подумайте о строительстве теплицы (или теплицы), которая соединяется с остальной частью вашего дома окнами, выходящими на юг. Солнечная энергия в этом пространстве будет намного больше, чем в остальной части дома. Для обогрева других комнат, прилегающих к теплице, откройте соединительные фрамуги или вентиляционные отверстия, пока температура не станет удовлетворительной.

    В нашем регионе летнее солнце изгибается над землей под углом примерно 70˚. Зимой этот угол резко уменьшается до почти 30˚. При проектировании системы пассивного отопления окна можно наклонять, чтобы максимально улавливать солнечный свет зимой. Свесы также могут быть спроектированы так, чтобы предотвращать проникновение солнечного света в летние месяцы, не препятствуя попаданию зимних лучей.

    Конвекция

    При повышении температуры воздуха его молекулы начинают двигаться быстрее.Эта увеличенная кинетическая энергия заставляет атом занимать больше места, уменьшая его плотность. Это можно наблюдать, когда горячий воздух поднимается вверх, а холодный опускается. И если горячий воздух выходит из пространства, он создает давление или всасывание для втягивания замещающего воздуха. Управляя входами и выходами, вы можете создавать контролируемые конвекционные потоки. Конвекцию можно использовать не только для управления воздушным потоком, но и для жидкостей.

    Простые методы вентиляции могут помочь обеспечить циркуляцию холодного воздуха в окнах и мансардных окнах с противоположной высотой.

    Охлаждающие трубки

    При сочетании конвекции с термической массой открываются новые возможности пассивного охлаждения. Проложите длинные отрезки труб на улице, закопав их под землю, а другой конец подсоедините к внутренней части дома. Применяя конвекцию, воздух охлаждающей трубки будет всасываться по мере выхода горячего воздуха. Проводимость между землей и воздухом внутри трубок значительно снижает их температуру. Также можно включить небольшой вентилятор, чтобы нагнетать прохладный воздух внутрь без конвекции.

    Прогиб

    Солнечное излучение можно отклонить с помощью определенных материалов. Вы можете увидеть это с большим эффектом на установке концентрированной солнечной энергии (CSP). Солнечный свет фокусируется с помощью большого массива зеркал в единую камеру, предназначенную для нагрева теплоносителя. Жидкость в конечном итоге превращается в пар для вращения турбин через замкнутую систему.

    Полезный трюк для дополнительного отопления зимой — это разместить пруд к югу от дома, по возможности ниже по высоте.Это обеспечивает дополнительное проникновение солнечного света и увеличение солнечного излучения в пространство.

    Чтобы смягчить отражения пруда в летние месяцы, вы можете вырастить лиственные деревья между домом и прудом. Пышные летние листья будут блокировать отражение, а голые зимние деревья вряд ли будут препятствовать лучам. Имейте в виду, что летние лучи будут приближаться под углом около 70 градусов, а зимние — ближе к 30 градусам.

    Ветер

    Ветер — это мощная сила для переноса тепла по территории.Его можно уменьшить с помощью ветряных блоков или увеличить с помощью ветряных воронок. В большинстве мест будет два основных направления ветра, которые будут вести себя предсказуемо и часто сезонно. Основную силу можно обнаружить, просто наблюдая за деревьями, которые наклоняются вместе в одном направлении. Для получения более точных показаний запишите ориентацию флюгера за определенный период времени.

    Если здание выровнено с учетом преобладающих ветров летом, можно использовать сквозняк, открыв вход и выход на противоположных концах здания.Воронка отводит теплый воздух, исходящий от вашего тела и близлежащих тепловых масс, заменяя его прохладным воздухом. Это также увеличивает скорость испарения, поскольку водяной пар уносится, оставляя после себя относительно более прохладную влагу.

    Улавливатели ветра можно управлять в определенных направлениях, что дает нам большую гибкость в ориентации нашей конструкции. Таким образом, стратегия состоит в том, чтобы обеспечить возможность улавливания и перераспределения ветра с помощью вентиляции.

    Теплые полы и охлаждение

    Лучистое отопление пола — это процесс закачки горячей жидкости под пол вашего дома по замкнутой системе.Тепло излучается из труб с горячей водой обратно в пол в процессе теплообмена. Это нагревает пол для немедленного комфорта, а в сочетании с термомассой будет продолжать излучать тепло в течение некоторого времени даже после прекращения циркуляции.

    Жидкость можно нагревать разными способами. Внешняя панель солнечного коллектора — отличный способ получить солнечную энергию и вернуть ее в систему. Однако для работы в ночное время может потребоваться более традиционный источник нагрева горячей водой.Эти системы требуют немного электричества, поскольку для циркуляции жидкости используется насос.

    Если снижение температуры является более важным приоритетом, можно установить аналогичную систему с циркуляцией охлаждающей жидкости. Лучистая охлаждающая поверхность используется для поглощения избыточного тепла в отсутствие влаги. Скрытая нагрузка, тепло, удерживаемое влагой воздуха, в противном случае вызовет конденсацию и может нанести вред, если ваша конструкция не подготовлена ​​к этому. Таким образом, этот подход наиболее эффективен как в сухих помещениях, так и в конструкциях, способных выдерживать высокую влажность, например, в теплице.

    Геотермальное отопление

    Технология, известная как геотермальное отопление (или «сезонное хранение тепловой энергии»), в последнее время становится все популярнее. Он включает в себя циркуляцию воздуха или жидкости через землю глубоко под землей, используя в своих интересах сезонную термальную температуру земной коры. Земля, по сути, действует как теплообменник. Зимой откачанный холодный воздух возвращается внутрь в виде теплого воздуха. Летом горячий воздух возвращается холодным. Для работы этих систем обычно требуются дорогие механические компоненты, а также электричество.

    Если ваш дом является энергоэффективным и оптимизирован для тепловой массы, альтернативой, которую следует рассмотреть, будет годовое геосолнечное отопление.

    Годовое гео солнечное отопление

    Есть два важных различия между геотермальным отоплением и геотермальным отоплением в годовом исчислении:

    1.) Под конструкцией устанавливается блок изолирующей земли. На 4 или 5 футов ниже фундамента изоляционная плита заглубляется внутри дома, чтобы создать гигантскую тепловую массу, способную сохранять температуру в течение нескольких месяцев.

    2.) Вместо того, чтобы направлять воздух вниз и обратно через систему, воздух закачивается прямо в землю. В течение лета вы отправляете горячий воздух в изотермический бокс и постоянно заряжаете тепловую массу теплом. Когда наступает зима, подземный бокс будет сохранять свою температуру в течение нескольких месяцев, медленно излучая тепло обратно в дом без какого-либо ручного или механического вмешательства.

    Эксплуатационные расходы включают электричество для питания вентилятора, который направляет воздух в землю.Вентилятор не должен работать все время, от нескольких раз в день до одного раза в час. Теплица идеальна, поскольку летний воздух, вероятно, будет более горячим, чем наружный воздух, добавляя дополнительное тепло в коробку, помогая снизить температуру внутри теплицы.

    Sarooj — Термостойкий початок

    Древняя Персидская империя хранила лед посреди пустыни в глинобитных сооружениях, известных как Яхчалы. Одним из применявшихся методов был сверхтермостойкий початок под названием Sarooj.Он сделан как обычный початок с добавлением золы, яичных белков и животных волокон. Из-за отсутствия доступной информации проверенный рецепт еще не выпущен, и необходимы дополнительные научные исследования.

    Теоретически применение саруджа может быть полезным благом для более жаркого климата. В сочетании с традиционным початком, учитывая сезонную ориентацию солнца, его, возможно, стоит нанести на части дома, которые открыты в летние месяцы. Традиционный саман можно использовать в областях, подверженных воздействию солнечных лучей в зимние месяцы, чтобы нормально улавливать солнечную энергию.

    Если у вас есть рецепт или опыт с Sarooj, мы будем рады услышать об этом!

    Подогреватель компоста

    Еще одно прекрасное применение насадки для теплицы — это размещение компостной кучи в помещении. При внутренней температуре около 160 ° F они будут излучать часть этого тепла в комнату. Также вы можете пропустить систему лучистого теплого пола через компостную кучу, чтобы нагреть жидкость бесплатно! Однако он требует замены после завершения процесса нагрева.

    Поступали сообщения об аммиаке, поступающем из кучи компоста в помещении, который повреждает растения и саженцы в непосредственной близости. Низкое количество азота и большое количество углерода помогают снизить этот риск. После того, как вы начнете собирать компост, подождите пару дней, а затем насыпьте сверху один-два дюйма почвы. Это также помогает поглощать излишки аммиака и распределять тепло более равномерно.

    Эко-охладитель

    Новый подход к охлаждению воздуха без электричества появился в Бангладеш, а теперь и в Пакистане, где почти 70% жителей живут без электричества.Этот метод включает создание панели воронок (с использованием переработанных пластиковых бутылок, хотя могут использоваться другие материалы), которые сжимают входящий ветерок перед его отправкой в ​​помещение. Именно это первоначальное сжатие теплого воздуха, а затем его внезапное высвобождение создает охлаждающий эффект. Вход в эти воронки должен быть расположен за пределами конструкции, так как именно через него может выходить теплый воздух. Сообщения об этом подходе указывают на падение температуры до 5˚ Цельсия, хотя технология все еще находится в зачаточном состоянии.

    Нагреватель биотопливного газа

    Септические системы для биотоплива и варочные котлы для компоста распространяются по всей Индии и другим частям мира. Это анаэробный процесс, который разрушает органические отходы с образованием метанового газа. Затем этот газ собирается и дезодорируется, после чего его можно отправлять по газопроводам вашего дома для самых разных целей. Если требуется дополнительное отопление, это топливо можно использовать для питания небольшого газового обогревателя в вашем доме.

    Подогреватель реактивной печи

    Массовый обогреватель ракетной печи работает так же, как и традиционный камин.

    Добавить комментарий

    Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *

    *