1. Температура почвы Температура почвы меняется от месяца к месяцу в зависимости от падающей солнечной...
2. Геология сайта
3. Уровень грунтовых вод
4. Глубина до коренной породы

Температура почвы

Температура почвы меняется от месяца к месяцу в зависимости от падающей солнечной радиации, осадков, сезонных колебаний температуры воздуха, местного растительного покрова, типа почвы и глубины земли. Из-за значительно более высокой теплоемкости почвы по отношению к воздуху и теплоизоляции, обеспечиваемой растительностью и поверхностными слоями почвы, сезонные изменения температуры почвы глубоко под землей значительно меньше и значительно отстают от сезонных изменений температуры вышележащего воздуха. Таким образом, весной почва естественным образом нагревается медленнее и в меньшей степени, чем воздух, а к лету она становится холоднее, чем вышележащий воздух, и является естественным стоком для отвода тепла из здания. Точно так же осенью почва охлаждается медленнее и в меньшей степени, чем воздух, а зимой она теплее, чем вышележащий воздух и естественный источник для добавления тепла в здание.

На глубинах почвы, превышающих 30 футов ниже поверхности, температура почвы относительно постоянна и примерно соответствует температуре воды, измеренной в скважинах подземных вод на глубине 30-50 футов. Это называется средней температурой земли. На рисунке 2 показаны контуры средней температуры земли в Соединенных Штатах. В Вирджинии средняя температура земли колеблется от 52F в северной части долины Шенандоа и Винчестера до 62F в прибрежной зоне Tidewater.

Рисунок 2. Наблюдения за среднегодовой температурой земли на отдельных станциях, наложенные на контуры температуры воды в колодце.

Амплитуда сезонных изменений температуры почвы по обе стороны от средней температуры земли зависит от типа почвы и глубины под поверхностью земли. В Вирджинии амплитуда изменения температуры почвы на поверхности земли обычно находится в диапазоне 20-25F, в зависимости от протяженности и типа растительного покрова. Однако на глубинах более 30 футов ниже поверхности температура почвы остается относительно постоянной в течение всего года, как показано на рисунке 3 ниже.

Рисунок 3. Амплитуда сезонного изменения температуры почвы в зависимости от глубины под поверхностью земли.

Вертикальные земляные теплообменники с замкнутым контуром установлены в скважинах глубиной от 200 до 300 футов, где сезонные изменения температуры почвы полностью затухают. Хорошо разомкнутые системы также распространяются на эту глубину или глубже. Таким образом, эти контуры заземления подвержены постоянной круглогодичной температуре.

С другой стороны, горизонтальные петли, спиральные петли и горизонтальные петли прямого расширения (DX) устанавливаются в траншеях, которые обычно имеют глубину менее 10 футов. Для этих типов грунтовых петель важно точно знать ожидаемые сезонные изменения температуры окружающей почвы. Дополнительные затраты на установку таких систем в более глубоких траншеях могут быть перевешены увеличением тепловых характеристик, поскольку на более глубоких почвах наблюдаются менее выраженные сезонные изменения температуры, и, следовательно, они ближе к комнатной температуре, что снижает рабочую нагрузку тепловых насосных агрегатов.

Рисунок 4. Сезонное изменение температуры почвы в зависимости от глубины под поверхностью земли для средней влажной почвы.

На более глубоких почвах наблюдаются не только менее экстремальные сезонные колебания температуры, но и изменения, которые происходят отстают от изменений на более мелких почвах. Это смещает профиль температуры почвы позднее в этом году, так что он более точно соответствует потребностям в отоплении и охлаждении. Ссылаясь на рис. 4, например, максимальная температура почвы наблюдается в конце августа (когда потребность в охлаждении высока) на глубине 5 футов ниже поверхности земли, но происходит в конце октября (после начала отопительного сезона) на глубине 12 футов под поверхностью.

Таким образом, установка более глубокого контура заземления снизит годовые эксплуатационные расходы на электроэнергию для работы тепловых насосов, и в течение срока службы системы GHP эти накопленные сбережения могут более чем компенсировать более высокие капитальные затраты на более глубокое захоронение контура заземления. Чтобы определить оптимальную глубину захоронения, важно точно знать, как сезонное изменение температуры почвы изменяется с глубиной, которая в основном определяется тепловыми свойствами почвы.

Тепловые свойства почвы

Теплоемкость (также известная как удельная теплоемкость) указывает на способность вещества накапливать тепловую энергию; чем больше его теплоемкость, тем больше тепла он может получить (или потерять) на единицу повышения (или понижения) температуры. Теплоемкость сухой почвы составляет около 0,20 БТЕ на фунт на F изменения температуры, что составляет лишь одну пятую теплоемкости воды. Следовательно, влажные или насыщенные почвы обладают большей теплоемкостью, обычно в диапазоне от 0,23 до 0,25 БТЕ / фунт / фут. Как показано на рисунке 3 выше, легкие сухие почвы испытывают более сильные сезонные колебания температуры на данной глубине, чем влажные почвы. Это связано с тем, что их низкая теплоемкость приводит к тому, что их температура поднимается или опускается больше, чем на влажных почвах, при заданном количестве тепловой энергии, получаемой весной или теряемой осенью.

Рисунок 5. Теплопроводность почв разных типов.

Теплопроводность - это еще одно свойство грунта, которое необходимо знать, чтобы спроектировать систему GHP с замкнутым контуром или прямого расширения. Это указывает на скорость, с которой тепло будет передаваться между контуром заземления и окружающей почвой для заданного температурного градиента. Теплопроводность почвы и породы является критическим значением, определяющим необходимую длину трубы, что, в свою очередь, влияет на стоимость установки, а также на энергетические требования для перекачки рабочей жидкости через контур заземления.

Рисунок 5 показывает теплопроводность различных типов почв. Теплопередача имеет тенденцию увеличиваться по мере текстура почвы становится все более тонким, с примесями суглинка, имеющими промежуточное значение между песком и глиной. Как также показано на этом рисунке, теплопроводность любого грунта значительно улучшается, если почва насыщается водой. Этот эффект намного больше для песчаных почв, чем для глины или ила, так как грубые почвы более пористые и поэтому удерживают больше воды во влажном состоянии. Следовательно, уровень грунтовых вод является еще одним важным фактором при оценке потенциального проекта GHP и оптимизации глубины, на которой должны быть установлены горизонтальные и спиральные контуры заземления.

Рис. 6. Влияние теплопроводности на количество скважин и общую длину заземленного теплообменника на 10 тонн нагрузки для вертикальной замкнутой системы GHP.

Как показано на рисунке 6, теплопроводность почвы оказывает существенное влияние на размер заземленного теплообменника. Так, например, в песчаных почвах (сравните сухую и насыщенную теплопроводность на рис. 5 с табличными значениями на рис. 6) необходимая длина контура заземления может составлять всего 200 футов на тонну системы, если почва насыщена водой, или до 300 футов за тонну, если почва сухая.

Теплопроводность почвы имеет еще большее значение для систем DX, и разработчики могут рассмотреть вопрос о размещении шланга-утюга для горизонтальных контуров заземления DX в сухих областях или в том случае, если проектная площадка находится выше зондируемой местности.

Карты, представленные в следующем разделе ниже, позволяют получить приблизительные оценки свойств почвы для целей регионального скрининга, но для любого вида детальной оценки осуществимости или проектного исследования следует привлекать подрядчика для тестирования теплопроводности грунта на месте . Как показано на рисунке 6, диапазон длин контура заземления в типичном диапазоне теплопроводности почвы составляет от 200 до 300 футов на тонну системы, что означает разницу в 30-50% требуемой площади земли и разницу в 10-20% в общей стоимости системы капитала. Проверка электропроводности на месте сводит к минимуму неопределенность в оценке этого ключевого теплового свойства и позволяет избежать превышения или превышения контура заземления.

Геология сайта

Текстура почвы

Как отмечалось ранее, теплопроводность сухих почв имеет тенденцию к увеличению, поскольку их текстура становится все более мелкой. Это просто является следствием того факта, что теплопроводность воздуха примерно в сто раз меньше, чем у твердых частиц почвы. Более тонкие почвы имеют больший контакт между частицами и меньшие изолирующие воздушные промежутки между частицами, чем грубые почвы, что, следовательно, повышает проводимость. Обратное справедливо для почв, насыщенных водой, когда поровые пространства между частицами заполнены не воздухом, а водой, поскольку теплопроводность воды примерно в два-три раза выше, чем у твердых частиц почвы.

В качестве предварительного указания на вероятную текстуру почвы на потенциальной площадке проекта GHP, на Рисунке 7 (разрабатываемом в USDA) представлена ​​карта почв Вирджинии, которая определяет общие регионы, где можно найти различные классы текстур. В пределах данного региона, однако, подробное распределение текстур почвы может значительно отличаться от региональных норм, особенно в сильно застроенных районах с длительной историей строительной деятельности. Эта карта не должна использоваться для оценки осуществимости проекта или разработки, но предназначена для того, чтобы предоставить приблизительное руководство для предварительного отбора.

Уровень грунтовых вод

Как уже отмечалось выше, степень, в которой почва обычно насыщается водой, сильно влияет на тепловые свойства почвы и выбор и проектирование соответствующего контура заземления. На рисунке 8 показана степень, в которой высота уровня грунтовых вод может изменяться от месяца к месяцу и от засушливого года до влажного года в отдельных местах вокруг Вирджинии. Принимая во внимание эту временную изменчивость, на Рисунке 9 (разрабатываемом в USDA) представлена ​​карта климатической нормальной структуры уровней подземных вод в штате. Как и в случае карты текстуры почвы, ее следует использовать только для регионального руководства, а не для оценки или разработки технико-экономического обоснования.

Рисунок 8. Сезонная и климатическая изменчивость уровней подземных вод по всей Вирджинии (нажмите на красный кружок на карте выше, чтобы отобразить график данных для этой скважины).

Глубина до коренной породы

Наконец, глубина до коренной породы ( то есть толщина слоя почвы) является важным фактором, который влияет на выполнимость определенных конфигураций контура заземления. Как объяснено на Контуры земли Например, стоячие колонные скважины возможны только в тех случаях, когда коренная порода находится близко к поверхности, тогда как для вертикальных замкнутых систем требуется глубина до коренной породы не менее 200-400 футов, в зависимости от текстуры и содержания влаги в лежащем выше грунте. Рисунок 10 (разрабатывается в USDA) представляет контурную карту, показывающую общую глубину коренной породы под поверхностью земли в региональном масштабе по всей Вирджинии. Как и другие карты на этой странице, эта информация предназначена для помощи в использовании нашего предварительного инструмента скрининга и не должна заменять соответствующие обследования сайта.

Похожие