Тема 10.Ветровая энергия

К важнейшим глобальным факторам следует отнести неравномерную обеспе­ченность солнечной энергией экваториальной и полярной зон планеты, различия в формировании радиационного и теплового балансов над поверхностью мате­риков и океанов, вращение Земли и угол наклона оси вращения Земли к эклип­тике. Под влиянием этих факторов формируются глобальные устойчивые или сезонно изменяющиеся воздушные течения, а также другие динамические про­цессы изменения характера и направленности воздушных потоков в атмосфере.

К региональным факторам, влияющим на формирование локальных воздуш­ных течений и определяющим их высокую изменчивость, следует отнести рельеф местности и наличие водоемов в пределах рассматриваемого региона или при­брежных зон раздела суши и моря. При этом скорость ветра как одна из важней­ших характеристик энергии воздушного потока существенно зависит от совпа­дения или несовпадения направленности общих и местных циркуляционных про­цессов в атмосфере, а также от характера рельефа местности.

Здания различной этажности с учетом характера и плотности застройки представляют собой антропогенный фактор изменения рельефа местности и сами влияют не только на изменение скорости и направления ветра у поверхности Земли, но и на высотное распределение этих параметров в приземном слое.

Энергия ветра изменяется под влиянием многих факторов, к числу которых относятся колебания плотности атмосферы в зависимости от температуры и вы­соты над уровнем моря, шероховатости подстилающей поверхности и т. д. Кроме того, на результаты определения энергии ветра существенно влияет точность отсчета показаний прибора, тип и расположение анемометра, репрезентатив­ность условий площадки, выбранной для измерения скорости ветра. ветра на сооружения изучено недо­статочно для нормативных обобще­ний, и при разработке наиболее чув­ствительных к нему элементов зданий или сооружений требуется экспери­ментальная проверка путем модели­рования процессов в аэродинамиче­ской трубе или иными методами. К таким элементам или агрегатам от­носятся в первую очередь трансфор-мируемые и ветроэнергоактивные конструкции зданий. Практически важная задача заключается в определении критического уровня динамических воздействий, при которых ветроактивный элемент должен быть отключен или переведен в наиболее устойчивое и безопас­ное положение.

Тема 11Геотермальная и гидротермальная энергия

Гео- и гидротермальная энергия как источник тепло- и холодоснабжения зданий в настоящей работе рассматривается с позиций опреде­ления энергетических характеристик водоносных или сухих слоев грунта в райо­нах городской, промышленной или сельской застройки в различных климати­ческих зонах и не связывается исключительно с районами, имеющими природные

выходы или легкодоступные ресурсы гидро- и геотермальной энергии повышен­ного потенциала.

Поставленная в настоящей работе задача заключается в оценке и использо­вании теплоэнергоресурсов земельных участков, прилегающих к зданиям с естественным или улучшенным энергетическим потенциалом. При этом суще­ственное значение имеют следующие факторы:

геологическое строение и характеристика температурного режима припо­верхностного слоя, прилегающего к нему массива грунта и расположенных под ним пород на глубину до 20 м от дневной поверхности;

водосодержание слоев грунта в окрестностях здания, степень извлекаемости воды и ее температурное состояние;

теплоемкость и теплопроводность; пород основания под зданием и в его окре­стностях, включая водоносные и водонасыщенные слои;

температурный режим и извлекаемые в экологически безвредных масшта­бах запасы теплоты из прилегающих к району застройки естественных или искусственных водоемов; длительность сезона отрицательной температуры и сезонные изменения нулевой изотермы в грунте. ¹

К основным теплофизическим параметрам почв как элемента теплоаккуму-лирующего массива относятся объемная теплоемкость, тепло- и температу-ро-проводность. Объемная теплоемкость с_р грунтового массива представ­ляет произведение удельной теплоемкости с на объемную массу р: с_р=ср и зависит от удельной теплоемкости твердой фазы и степени увлажнения. Удель­ная теплоемкость твердой фазы определяется соотношением минеральной части и химически связанной воды, а при наличии карбонатов и органических веществ — их содержанием.

В грунтозаполненных массивных элементах энергоактивных зданий воз­можно применение теплоаккумулирующих сердечников из предварительно вы­сушенного грунта. Ниже приведены значения удельной теплоемкости различ­ных видов грунтов и почв в сухом состоянии при положительной температуре кДж/(кг- К):

Песок 0,754

Супесь 0,837

Суглинок 0,963 -

Чернозем 1,047

Торф' 2,177

Каштановая почва 0,837

Влияние изменения плотности и влажности грунта на удельную теп­лоемкость в реальных условиях не гидроизолированных слоев в ограж­дениях и аккумуляторах.

Дальнейший рост теплоемкости пропорционален увеличению водосодержания

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

Теплопроводность грунта су­щественно зависит от дисперсно­сти, плотности, влажности и в меньшей степени — от температу­ры. Изменение температуры в диа­пазоне от —50 до +50°С отража­ется на межпоровой конвекции и излучении и может изменить коэффициент теплопроводности на 20%, в то время как изменение влажности песка на 20% в диапа­зоне от 10 до 30% может увели­чить теплопроводность более чем в 2 раза. Точно так же увеличение размера зерен от пыли до крупно­зернистого песка приводит к увеличению теплопроводности в 2 раза. Влияние структурного фактора на теплопроводность объясняется важной ролью контакт­ной составляющей передачи теплоты. Применительно к грунтовым аккумулято­рам теплоты необходимо отметить, что с увеличением плотности трамбования грунта увеличивается теплопроводность массива и улучшается протекание теплообменных процессов при эксплуатации.

Динамика роста коэффициента теплопроводности при увлажнении средне-дисперсных и крупнодисперсных грунтов такова: вначале идет очень быстрый рост теплопроводности вследствие замещения в порах малотеплопроводного воз­духа высокотеплопроводной водой, а после насыщения пор рост коэффициента теплопроводности прекращается. В слабодисперсных грунтах вначале коэффи­циент теплопроводности изменяется слабо, пока воды не хватает для полного обволакивания массы частиц или образования системы водяных мостиков повы­шенной теплопроводности, затем нарастание теплопроводности интенсифици­руется. Изменение коэффициента теплопроводности по глубине слоя в массиве грунта происходит в соответствии с изменениями плотности и влажности и в интервале глубин от 0,05 до 0,5 м может возрастать в отдельных случаях в 3 раза.

Температуропроводность грунта как производная от теплопроводности по объемной теплоемкости практический интерес для энергоактивных зданий, работающих с использова­нием геотермальной энергии низкого потенциала. Именно слой толщиной 1,5— 3 м по теплотехническим и экономическим соображениям может рассматривать­ся как естественный аккумулятор легкодоступной и имеющейся повсеместно гео­термальной энергии.

Значения среднемесячной и среднегодовой темпера­туры воздуха и почвы на глубинах 0,2; 0,4; 0,8; 1,6; 3,2 м в Петропавловске-Камчатском. Из сопоставления приведенных данных следует, что с октября по апрель, т. е. практически на протяжении всего отопительного периода, тем­пература почв на глубине 0,8—3,2 м положительна и превышает среднюю тем­пературу наружного воздуха. Такое же соотношение среднегодовых температур наблюдается для всех указанных глубин почвы. Отсюда вытекает, что геотер­мальную энергию низкого потенциала можно использовать следующим образом:

для снижения тепловых нагрузок на отопительную систему зданий, по край­ней мере на протяжении части отопительного сезона, путем извлечения непреобразованной теплоты низкого потенциала из грунта и подводки ее к наружным ограждениям;

для расширенного использования геотермальной энергии низкого потен­циала для тепло- и холодоснабжения зданий посредством систем с тепловым насосом.

Эффективность использования геотермальной энергии может быть повыше­на путем применения двухконтурных систем с расположением внешнего контура в массиве грунта и назначения режима работы, обеспечивающего отбор тепло­ты из массива в диапазоне температур, соответствующем попеременному замо­раживанию и оттаиванию примыкающей к теплообменнику массы грунта, т. е. в режиме фазовых превращений грунтовой влаги, а также применением инже­нерных средств, повышающих энтальпию грунта в летний период.

Аналогично решаются вопросы оценки и использования в энергоактивных зданиях низкопотенциальной теплоты гидротермальной энергии, рассматривае­мой как энергия грунтовых вод в водонасыщенных слоях почвы. Эффективность использования низкопотенциальной гидротермальной энергии в гидроэнерго-активных зданиях существенно возрастает в районах расположения глубинных термальных запасов воды, вызывающих дополнительный подогрев массивов земли под зданиями.

Дополнительные сведения о максимуме и минимуме температуры, глубине промерзания, датах наступления и продолжительности безморозного периода, температурных амплитудах могут быть получены из Справочника по климату СССР, либо путем проведения расширенных термогидрологических иссле­дований района предполагаемого строительства энергоактивных зданий, в ко­торых используются рассматриваемые виды возобновляемой энергии. Результа­том такого рода рекогносцировочных исследований является развернутая ин­формация о ресурсах тепловой энергии грунтового массива обследуемого уча­стка, включая водосодержащие слои, а также о сезонных эволюциях энтальпии и экологически безвредно извлекаемых (возобновляемых) запасах теплоты или холода.