Геотермальные свайные фундаменты - чистый и надежный источник энергии

Геотермальная энергия

Геотермальная энергия - это второй по распространенности источник тепла на Земле после солнечного излучения. Естественная тепловая энергия, запасенная в земле, содержится примерно в 260 миллиардах кубометров горных пород и металлических сплавов, которые расположены чуть ниже земной поверхности и находятся в точке плавления или близкой к ней.

Расчеты показывают, что Земля в полностью расплавленном состоянии остыла бы и отвердела, если бы нагревалась только Солнцем. Поэтому предполагается, что главный источник геотермальной энергии - естественный распад радиоактивных изотопов.

Геотермальная температура в земной коре увеличивается с глубиной. С помощью доступных технологий установили, что средний геотермический градиент составляет около 3 ⁰C на 100 м.

Текущее распространение энергетического георесурса

Геотермальная энергия достигла коммерческих масштабов более 100 лет назад, и теперь более 70 стран пользуются этим источником. Исландия лидирует по распространению этой энергетической технологии в хозяйственной деятельности страны.

Преимущества геотермальной энергии:

• Непрерывный, надежный и экологически чистый источник;
• Стоимость геотермальной энергии постоянна;
• Неисчерпаемый ресурс доступен в той или иной форме в каждой стране;
• Снижается зависимость от ископаемого топлива;
• Конкурентная стоимость при базовой нагрузке электросетей, отопительной или холодильной нагрузке, горячем водоснабжении;
• Прикладное разнообразие: производство электроэнергии или теплоснабжение напрямую. Кроме этого, доступны комбинированные режимы;
• Низкие эксплуатационные расходы;
• Уменьшается площадь земли под электростанциями;
• Геотермальные установки подходят для отдаленных районов, где нет развитой инфраструктуры.

Виды геотермальных ресурсов в зависимости от температуры подземных источников

Высокотемпературные источники

Геотермальные источники с температурой выше 150 ⁰C обычно эксплуатируют электростанции. Жидкости, разогретые до 200-280 ⁰C, поднимают из скважин глубиной 1 500 - 2 500 м. Такие высокотемпературные резервуары находят в регионах с вулканической активностью.

Характеристики гидротермальных ресурсов, которые представляют собой воду или пар, определяют энергетический цикл геотермальной электростанции. В редких и географически ограниченных местах производится сухой пар, который непосредственно вращает турбины. В большинстве случаев горячую воду необходимо испарить и снизить давление пара до требуемых значений.

Среднетемпературные источники

Геотермальные потоки с температурой 40 до 150 ⁰C направляют на крупномасштабный нагрев технологических процессов и ограниченное производство электроэнергии. Некоторые среднетемпературные тепловые резервуары находятся в тех же регионах, что и высокотемпературные: у границ тектонических плит и разломов.

Низкотемпературные источники

Подземное тепло с температурой ниже 40 ⁰C улавливается геотермальными тепловыми насосами, чтобы отапливать, охлаждать или снабжать горячей водой дома. Низкотемпературные геотермальные источники в большей степени зависят от солнечного излучения.

Экологические и экономические соображения

Геотермальная энергия считается чистым и экологически безопасным источником. Нет выбросов парниковых газов и химических реакций, таких как горение. Кроме того, доступность геотермальной энергии не зависит от погоды, что резко отличается от солнечного излучения и энергии ветра.

Чем глубже скважины, тем выше капиталоёмкость. Поэтому необходимо развивать технологии, которые улавливают энергию низкопотенциальных источников.

Большая часть выбросов геотермальных электростанций связана с градирнями, которые производят водяной пар. Такие энергетические объекты, как правило, визуально ненавязчивы, вписаны в ландшафт и занимают немного земли.

Геотермальное отопление и горячее водоснабжение на экологию влияют несильно. Извлечение тепла временно понижает температуру грунта, но, когда потребность в тепле уменьшается, земля частично восстанавливается за счет подземных водяных потоков.

Эксплуатировать геотермальные объекты недорого, если не считать первоначальных строительных затрат.

Свайные фундаменты

Свайные фундаменты представляют собой длинные, тонкие, столбчатые конструктивные элементы, заглубленные в землю. Обычно изготовлены из стали или железобетона, или из дерева. Свайные фундаменты передают нагрузки от надстройки через слабые или рыхлые слои, или воду прочному и жесткому основанию небольшой площади. На сваи ставят крупные здания, когда грунт дает чрезмерную усадку.

Сваи классифицируются по назначению:

• Опорные сваи, в которых большая часть нагрузки возникает на конце;
• Висячие сваи, в которых большая часть несущей способности сосредоточена в касательных напряжениях по сторонам.

Известны 2 типа свайного фундамента: забивные сваи и буронабивные:

• Забивные сваи обычно изготавливают из сборного железобетона и погружают в землю на месте;
• Буронабивные сваи изготавливаются на месте: грунт поднимается из земли и в углубление заливается бетон. Бурение грунта и заливка бетона иногда происходят одновременно.

Выбор сваи зависит от места и типа конструкции, состояния грунта, сопротивления материалов окружающей среде и стоимости.

Геотермальные сваи

Геотермальные свайные фундаменты - это сочетание фундаментных свай и геотермальных тепловых насосов с замкнутым контуром. Назначение конструкции - поддерживать здания и служить источником тепла. Тепловая масса земли поглощает нежелательное тепло от здания летом и обогревает помещения тепловыми насосами зимой.

Как правило, бытовые геотермальные тепловые насосы извлекают тепло из земли в течение определенного количества часов в год с помощью подземных труб, которые прокладывают в земле либо горизонтально, либо вертикально. В геотермальных сваях петли труб укладываются вертикально, чтобы стать частью свайных фундаментов.

Строительство геотермальных свай

Сваи преобразуются в теплообменники, когда добавляется одна или несколько петель пластиковых труб. Диаметр и длина сваи рассчитываются таким образом, чтобы выдерживать нагрузки. Грунт выкапывается из земли и устанавливается жесткий сварной арматурный каркас.

Укладываются несколько закрытых петель из полиэтиленовых труб высокой плотности обычно диаметром 25 мм и толщиной стенки 2-3 мм. Трубы равномерно закрепляются вокруг внутренней части армирующего каркаса на полную глубину.

Петли заполняются теплоносителем: водой с антифризом или соляным раствором. В верхней части сваи устанавливается запорный клапан и манометр. Перед бетонированием на трубы подается давление, которое поддерживается до тех пор, пока бетон не затвердеет.

Преимущества геотермальных свай

Благодаря низким температурам и давлению, и тому, что трубы окружены бетоном, риски повредиться теплообменнику или загрязниться грунтовым водам практически отсутствуют.