Температура земли на глубине

Температура грунта на глубине

Температура грунта на глубине сильно зависит от изменения сезонной температуры, причем это влияние сказывается только до глубины 5-30 м в зависимости от широты.

Зависимость температуры грунта от времени года

На изменения температуры грунта на определенной глубине, прежде всего, существенное влияние оказывает сезонное изменение температуры воздуха.

Колебания показателя в течение года для каждой зоны, города свои, причем каждый год они зависят от того, насколько жарким было лето. Например:

Таблица температуры грунта на глубине 40, 80, 160 см для некоторых городов СНГ приведена на сайте e-boiler.ru .

На определенной глубине сезонные колебания нивелируются, температура грунта остается постоянной. Ближе к полюсам этот слой с постоянной температурой находится на глубине 20-30 м, в тропиках – 5-10 м.

Ниже начинают оказывать влияние потоки радиогенного тепла, т.е. тепла недр земли, образующегося при распаде радиоактивных элементов. В среднем температура ближе к центру Земли повышается на 10С на каждые 33 м.

Таблица изменения температуры грунта на глубине до 9 метров для четырех климатических районов

Климатические районы I – III России с севера на юг: I – до 700 северной широты; II – до 600 III – до 450. IV – Закавказье, Крым, Средняя Азия.

Влияние других показателей

Кроме сезонных колебаний тепла и холода, на изменение температуры грунта на глубине влияют наличие снежного покрова, подземные воды, влажность и тип почвы, инсоляция и прочие условия, но зависимость от этих показателей трудно вычислить.

Отопление из центра Земли

В городе Эспоо через два года будет запущена первая в Финляндии геотермальная электростанция. Финские инженеры планируют использовать естественное тепло земных недр для обогрева зданий. И если эксперимент будет успешным, то подобные теплоцентрали можно возводить повсеместно, например, в Ленинградской области. Вопрос в том, насколько это выгодно.

Использование энергии Земли — идея не новая. Естественно, за ее реализацию прежде всего взялись жители тех регионов, где сама природа создала “паровые машины”. Так, например, еще в 1904 году итальянский князь Пьеро Джинори Конти зажег четыре электролампочки, поместив турбинку с электрогенератором вблизи природного выхода разогретого пара из земли, в регионе Лардерелло (Тоскана).

Спустя девять лет, в 1913 году, там же была запущена первая коммерческая геотермальная станция мощностью 250 киловатт. Станция использовала самый выгодный, но, к сожалению, редко встречающийся ресурс — сухой перегретый пар, который можно встретить лишь в недрах вулканических массивов. Но, на самом деле, жар Земли можно найти не только близ огнедышащих гор. Он есть повсеместно, под нашими ногами.

Недра планеты раскалены до нескольких тысяч градусов. Ученые до сих пор не выяснили, вследствие каких процессов наша планета в течение нескольких миллиардов лет хранит в себе гигантское количество тепла, и невозможно оценить, на сколько миллиардов лет его хватит. Достоверно известно, что при погружении на каждые 100 метров вглубь земли температура пород повышается в среднем на 3 градуса. В среднем — это значит, что есть места на планете, где температура повышается на полградуса, а где-то — и на 15 градусов. И это — не зоны активного вулканизма.

Температурный градиент, разумеется, увеличивается неравномерно. Финские специалисты рассчитывают достичь на глубине 7 км зоны, в которой температура пород составит 120 градусов Цельсия, притом что температурный градиент в Эспоо примерно 1,7 градуса на 100 метров, а это даже ниже среднего уровня. И, тем не менее, это уже достаточная температура для запуска геотермальной теплоцентрали.

Суть системы, в принципе, проста. Бурятся две скважины на расстоянии в несколько сот метров друг от друга. Между ними в нижней части нагнетают под давлением воду, чтобы разорвать пласты и создать меж ними систему проницаемых трещин. Технология отработана: подобным способом сейчас добывают сланцевую нефть и газ.

Затем в одну из скважин закачивают воду с поверхности, а из второй — наоборот, откачивают. Вода идет по трещинам среди раскаленных пород, и затем поступает по второй скважине на поверхность, где передает тепло обычной городской теплоцентрали. Такие системы уже были запущены в США, в настоящее время идут разработки в Австралии и странах Европейского союза.

Фото: www.facepla.net (скриншот)

Мало того — тепла хватит, чтобы запустить выработку электроэнергии. Приоритет в разработке низкотемпературной геотермальной энергетики принадлежит советским ученым — именно они более полувека назад решили вопрос использования такой энергии на Камчатке. Ученые предложили использовать в качестве кипящего теплоносителя органическую жидкость — фреон12, у которой точка кипения при нормальном атмосферном давлении — минус 30 градусов. Вода из скважины температурой в 80 градусов Цельсия передавала свое тепло фреону, который вращал турбины. Первой в мире электростанцией, работающей с водой такой температуры, стала Паужетская геотермальная электростанция на Камчатке, построенная в 1967 году.

Достоинства такой схемы очевидны — в любой точке Земли человечество сможет обеспечить себя теплом и электроэнергией, даже если погаснет Солнце. В толще земной коры запасена огромная энергия, более чем в 10 тысяч раз превышающая все топливопотребление современной цивилизации в год. И эта энергия постоянно возобновляется за счет притока тепла из недр планеты. Современные технологии позволяют добывать этот вид энергии.

Интересные места для строительства подобных геотермальных электростанций есть и в Ленинградской области. Выражение «Питер стоит на болоте» применимо лишь с позиции строительства малоэтажных объектов, а с точки зрения «большой геологии» — осадочный чехол в окрестностях Петербурга достаточно тонок, всего десятки метров, а затем берут свое начало, как и в Финляндии, коренные магматические породы. Этот скальный щит неоднороден: он испещрен разломами, по некоторым из которых поднимается наверх тепловой поток.

Первыми на это явление обратили внимание ботаники, которые нашли на Карельском перешейке и на Ижорском плато островки тепла, где произрастают растения либо с высокой скоростью воспроизводства, либо относящиеся к более южным ботаническим подзонам. А под Гатчиной и вовсе обнаружена ботаническая аномалия — растения альпийско-карпатской флоры. Растения существуют благодаря тепловым потокам, идущим из-под земли.

По результатам бурения в районе Пулково на глубине 1000 метров температура кристаллических пород составила плюс 30 градусов, то есть в среднем она повышалась на 3 градуса каждые 100 метров. Это «средний» уровень температурного градиента, но он почти в два раза больше, чем в районе Эспоо, в Финляндии. Это означает, что в Пулково достаточно пробурить скважину на глубину всего лишь до 3500 метров, соответственно, такая теплоцентраль обойдется гораздо дешевле, чем в Эспоо.

Стоит учесть, что срок окупаемости подобных станций зависит также и от тарифов на теплоснабжение и электроэнергию для потребителей в этой стране или региона. В мае 2015 года тариф для многоквартирных домов без электрического отопления от компании Helsingin Energia составлял 6,19 евроцента за кВт*ч, с электрическим отоплением, соответственно, — 7,12 евроцентра за кВт*ч (в дневное время). По сравнению с тарифами Санкт-Петербурга, разница для тех, кто использует электричество и для отопления, составляет около 40%, при этом еще надо учитывать игры курсов. Столь невысокая цена на электричество в Финляндии связана, в том числе, с тем, что страна имеет собственные атомные генерирующие мощности.

А вот в Латвии, которая вынуждена постоянно закупать электроэнергию и топливо, отпускная цена электроэнергии практически вдвое выше, чем в Финляндии. Однако финны полны решимости построить станцию в Эспоо, в не самом удачном по геотермическому градиенту месте.

Дело в том, что геотермальная энергетика требует долгосрочных инвестиций. В этом смысле она ближе к крупной гидроэнергетике и атомной энергетике. ГеоТЭС гораздо сложнее возвести, чем солнечную или ветростанцию. И нужно быть уверенными, что политики не начнут играть с ценами и правила не будут меняться на ходу.

Поэтому финны и решаются на этот важный промышленный эксперимент. Если им удастся осуществить задуманное, и хотя бы для начала обогреть своих жителей теплом, которое никогда не кончится (даже в масштабах вообще жизни на нашей планете) — это позволит задуматься о будущем геотермальной энергетики и на обширных российских просторах. Сейчас в России греются теплом Земли на Камчатке и в Дагестане, но, возможно, настанет и время Пулково.

Константин Ранкс

В нашей стране, богатой углеводородами, геотермальная энергия — некий экзотический ресурс, который при сегодняшнем положении дел вряд ли составит конкуренцию нефти и газу. Тем не менее этот альтернативный вид энергии может использоваться практически всюду и довольно эффективно.

Фото Игоря Константинова. Изменение температуры грунта с глубиной. Рост температуры термальных вод и вмещающих их сухих пород с глубиной. Изменение температуры с глубиной в разных регионах. Извержение исландского вулкана Эйяфьятлайокудль —иллюстрация бурных вулканических процессов, протекающих в активных тектонических и вулканических зонах с мощным тепловым потоком из земных недр. Установленные мощности геотермальных электростанций по странам мира, МВт. Распределение геотермальных ресурсов по территории России. Запасы геотермальной энергии, по оценкам экспертов, в несколько раз превышают запасы энергии органического ископаемого топлива. По данным ассоциации «Геотермальное энергетическое общество». ‹

Геотермальная энергия — это тепло земных недр. Вырабатывается оно в глубинах и поступает к поверхности Земли в разных формах и с различной интенсивностью.

Температура верхних слоёв грунта зависит в основном от внешних (экзогенных) факторов — солнечного освещения и температуры воздуха. Летом и днём грунт до определённых глубин прогревается, а зимой и ночью охлаждается вслед за изменением температуры воздуха и с некоторым запаздыванием, нарастающим с глубиной. Влияние суточных колебаний температуры воздуха заканчивается на глубинах от единиц до нескольких десятков сантиметров. Сезонные колебания захватывают более глубокие пласты грунта — до десятков метров.

На некоторой глубине — от десятков до сотен метров — температура грунта держится постоянной, равной среднегодовой температуре воздуха у поверхности Земли. В этом легко убедиться, спустившись в достаточно глубокую пещеру.

Когда среднегодовая температура воздуха в данной местности ниже нуля, это проявляется как вечная (точнее, многолетняя) мерзлота. В Восточной Сибири мощность, то есть толщина, круглогодично мёрзлых грунтов достигает местами 200—300 м.

С некоторой глубины (своей для каждой точки на карте) действие Солнца и атмосферы ослабевает настолько, что на первое место выходят эндогенные (внутренние) факторы и происходит разогрев земных недр изнутри, так что температура с глубиной начинает расти.

Разогрев глубинных слоёв Земли связывают, главным образом, с распадом находящихся там радиоактивных элементов, хотя называют и другие источники тепла, например физико-химические, тектонические процессы в глубоких слоях земной коры и мантии. Но чем бы это ни было обусловлено, температура горных пород и связанных с ними жидких и газообразных субстанций с глубиной растёт. С этим явлением сталкиваются горняки — в глубоких шахтах всегда жарко. На глубине 1 км тридцатиградусная жара — нормальное явление, а глубже температура ещё выше.

Тепловой поток земных недр, достигающий поверхности Земли, невелик — в среднем его мощность составляет 0,03—0,05 Вт/м2,
или примерно 350 Вт·ч/м2 в год. На фоне теплового потока от Солнца и нагретого им воздуха это незаметная величина: Солнце даёт каждому квадратному метру земной поверхности около 4000 кВт·ч ежегодно, то есть в 10 000 раз больше (разумеется, это в среднем, при огромном разбросе между полярными и экваториальными широтами и в зависимости от других климатических и погодных факторов).

Незначительность теплового потока из недр к поверхности на большей части планеты связана с низкой теплопроводностью горных пород и особенностями геологического строения. Но есть исключения — места, где тепловой поток велик. Это, прежде всего, зоны тектонических разломов, повышенной сейсмической активности и вулканизма, где энергия земных недр находит выход. Для таких зон характерны термические аномалии литосферы, здесь тепловой поток, достигающий поверхности Земли, может быть в разы и даже на порядки мощнее «обычного». Огромное количество тепла на поверхность в этих зонах выносят извержения вулканов и горячие источники воды.

Именно такие районы наиболее благоприятны для развития геотермальной энергетики. На территории России это, прежде всего, Камчатка, Курильские острова и Кавказ.

В то же время развитие геотермальной энергетики возможно практически везде, поскольку рост температуры с глубиной — явление повсеместное, и задача заключается в «добыче» тепла из недр, подобно тому, как оттуда добывается минеральное сырьё.

В среднем температура с глубиной растёт на 2,5—3оС на каждые 100 м. Отношение разности температур между двумя точками, лежащими на разной глубине, к разности глубин между ними называют геотермическим градиентом.

Обратная величина — геотермическая ступень, или интервал глубин, на котором температура повышается на 1оС.

Чем выше градиент и соответственно ниже ступень, тем ближе тепло глубин Земли подходит к поверхности и тем более перспективен данный район для развития геотермальной энергетики.

В разных районах, в зависимости от геологического строения и других региональных и местных условий, скорость роста температуры с глубиной может резко различаться. В масштабах Земли колебания величин геотермических градиентов и ступеней достигают 25 крат. Например, в штате Орегон (США) градиент составляет 150оС на 1 км, а в Южной Африке — 6оС на 1 км.

Вопрос, какова температура на больших глубинах — 5, 10 км и более? При сохранении тенденции температура на глубине 10 км должна составлять в среднем примерно 250—300оС. Это более или менее подтверждается прямыми наблюдениями в сверхглубоких скважинах, хотя картина существенно сложнее линейного повышения температуры.

Например, в Кольской сверхглубокой скважине, пробурённой в Балтийском кристаллическом щите, температура до глубины 3 км меняется со скоростью 10оС/1 км, а далее геотермический градиент становится в 2—2,5 раза больше. На глубине 7 км зафиксирована уже температура 120оС, на 10 км — 180oС, а на 12 км — 220oС.

Другой пример — скважина, заложенная в Северном Прикаспии, где на глубине 500 м зарегистрирована температура 42oС, на 1,5 км — 70oС, на 2 км — 80oС, на 3 км — 108oС.

Предполагается, что геотермический градиент уменьшается начиная с глубины 20—30 км: на глубине 100 км предположительные температуры около 1300—1500oС, на глубине 400 км — 1600oС, в ядре Земли (глубины более 6000 км) — 4000—5000oС.

На глубинах до 10—12 км температуру измеряют через пробурённые скважины; там же, где их нет, её определяют по косвенным признакам так же, как и на бóльших глубинах. Такими косвенными признаками могут быть характер прохождения сей-смических волн или температура изливающейся лавы.

Впрочем, для целей геотермальной энергетики данные о температурах на глубинах более 10 км пока не представляют практического интереса.

На глубинах в несколько километров много тепла, но как его поднять? Иногда эту задачу решает за нас сама природа с помощью естественного теплоносителя — нагретых термальных вод, выходящих на поверхность или же залегающих на доступной для нас глубине. В ряде случаев вода в глубинах разогрета до состояния пара.

Строгого определения понятия «термальные воды» нет. Как правило, под ними подразумевают горячие подземные воды в жидком состоянии или в виде пара, в том числе выходящие на поверхность Земли с температурой выше 20оС, то есть, как правило, более высокой, чем температура воздуха.

Тепло подземных вод, пара, пароводяных смесей — это гидротермальная энергия. Соответственно энергетика, основанная на её использовании, называется гидротермальной.

Сложнее обстоит дело с добычей тепла непосредственно сухих горных пород — петротермальной энергии, тем более что достаточно высокие температуры, как правило, начинаются с глубин в несколько километров.

На территории России потенциал петротермальной энергии в сто раз выше, чем у гидротермальной, — соответственно 3500 и 35 трлн тонн условного топлива. Это вполне естественно — тепло глубин Земли имеется везде, а термальные воды обнаруживаются локально. Однако из-за очевидных технических трудностей для получения тепла и электроэнергии в настоящее время используются большей частью термальные воды.

Воды температурой от 20—30 до 100оС пригодны для отопления, температурой от 150оС и выше — и для выработки электроэнергии на геотермальных электростанциях.

В целом же геотермальные ресурсы на территории России в пересчёте на тонны условного топлива или любую другую единицу измерения энергии примерно в 10 раз выше запасов органического топлива.

Теоретически только за счёт геотермальной энергии можно было бы полностью удовлетворить энергетические потребности страны. Практически же на данный момент на большей части её территории это неосуществимо по технико-экономическим соображениям.

В мире использование геотермальной энергии ассоциируется чаще всего с Исландией — страной, расположенной на северном окончании Срединно-Атлантического хребта, в исключительно активной тектонической и вулканической зоне. Наверное, все помнят мощное извержение вулкана Эйяфьятлайокудль (Eyjafjallajökull) в 2010 году.

Именно благодаря такой геологической специфике Исландия обладает огромными запасами геотермальной энергии, в том числе горячих источников, выходящих на поверхность Земли и даже фонтанирующих в виде гейзеров.

В Исландии в настоящее время более 60% всей потребляемой энергии берут из Земли. В том числе за счёт геотермальных источников обеспечивается 90% отопления и 30% выработки электроэнергии. Добавим, что остальная часть электроэнергии в стране производится на ГЭС, то есть также с использованием возобновляемого источника энергии, благодаря чему Исландия выглядит неким мировым экологическим эталоном.

«Приручение» геотермальной энергии в XX веке заметно помогло Исландии в экономическом отношении. До середины прошлого столетия она была очень бедной страной, сейчас занимает первое место в мире по установленной мощности и производству геотермальной энергии на душу населения и находится в первой десятке по абсолютной величине установленной мощности геотермальных электростанций. Однако её население составляет всего 300 тысяч человек, что упрощает задачу перехода на экологически чистые источники энергии: потребности в ней в целом невелики.

Помимо Исландии высокая доля геотермальной энергетики в общем балансе производства электроэнергии обеспечивается в Новой Зеландии и островных государствах Юго-Восточной Азии (Филиппины и Индонезия), странах Центральной Америки и Восточной Африки, территория которых также характеризуется высокой сейсмической и вулканической активностью. Для этих стран при их нынешнем уровне развития и потребностях геотермальная энергетика вносит весомый вклад в социально-экономическое развитие.

(Окончание следует.)

Поверхностный слой почвы Земли — это естественный тепловой аккумулятор. Главный источник тепловой энергии, поступающей в верхние слои Земли — солнечная радиация. На глубине около 3 м и более (ниже уровня промерзания) температура почвы в течение года практически не меняется и примерно равна среднегодовой температуре наружного воздуха. На глубине 1,5-3,2 м зимой температура составляет от +5 до + 7 ° С, а летом от +10 до + 12 ° С. Этим теплом можно зимой не допустить замерзания дома, а летом не дать ему перегреться выше 18-20 ° С

Как использовать энергию льда для отопления и охлажднения дома. Концепция SolarEis
10 технологий для экологического строительства
8 советов, как сэкономить на отоплении дома
Самым простым способом использования тепла земли является использование почвенного теплообменника (ПТО). Под землей, ниже уровня промерзания грунта, укладывается система воздуховодов, которые выполняют функцию теплообменника между землей и воздухом, который проходит по этих воздуховодах. Зимой входящий холодный воздух, который поступает в дом и проходит по трубам — нагревается, а летом — охлаждается. При рациональном размещении воздуховодов можно отбирать из почвы значительное количество тепловой энергии с небольшими затратами электроэнергии.
Можно использовать теплообменник «труба в трубе». Внутренние воздуховоды из нержавеющей стали выступают здесь в роли рекуператоров.

Охлаждение в летний период

В теплое время года грунтовый теплообменник обеспечивает охлаждение приточного воздуха. Наружный воздух поступает через воздухозаборное устройство в грунтовый теплообменник, где охлаждается за счет грунта. Затем охлажденный воздух подается воздуховодами в приточно-вытяжную установку, в которой на летний период вместо рекуператора установлена ​​летняя вставка. Благодаря такому решению, происходит снижение температуры в помещениях, улучшается микроклимат в доме, снижаются затраты электроэнергии на кондиционирование.

Работа в межсезонье

Когда разница между температурой наружного и внутреннего воздуха небольшая, подачу свежего воздуха можно осуществлять через приточную решетку, размещенную на стене дома в надземной части. В тот период, когда разница существенная, подачу свежего воздуха можно осуществлять через ПТО, обеспечивая подогрев / охлаждение приточного воздуха.

Экономия в зимний период

В холодное время года наружный воздух поступает через воздухозаборное устройство в ПТО, где прогревается и затем поступает в приточно-вытяжную установку для нагрева в рекуператоре. Предварительный нагрев воздуха в ПТО снижает вероятность обледенения рекуператора приточно-вытяжной установки, увеличивая эффективное время использования рекуперации и минимизирует затраты на дополнительный нагрев воздуха в водяном / электрическом нагревателе.

Как рассчитываются затраты на подогрев и охлаждение воздуха

Можно предварительно подсчитать затраты на нагрев воздуха в зимний период для помещения, куда поступает воздух при нормативе 300 м3 / час. В зимний период среднесуточная температура в течение 80 дней составляет -5 ° С — ее нужно подогреть до + 20 ° С. Для нагрева такого количества воздуха нужно затрачивать 2,55 кВт в час (при отсутствии системы утилизации тепла). При использовании геотермальной системы происходит подогрев наружного воздуха до +5 и тогда на догрев входящего воздуха к комфортному уходит 1,02 кВт. Еще лучше ситуация при использовании рекуперации — надо затрачивать только 0,714 кВт. За период 80 дней будет потрачено соответственно 2448 кВт * ч тепловой энергии, а геотермальные системы снизят затраты на 1175 или 685 кВт * ч.
В межсезонье в течение 180 дней среднесуточная температура составляет + 5 ° С — ее нужно подогреть до + 20 ° С. Плановые расходы составляют 3305 кВт * ч, а геотермальные системы снизят затраты на 1322 или 1102 кВт * ч.
В летний период в течение 60 дней среднесуточная температура около + 20 ° С, но в течение 8 часов она находится в пределах + 26 ° С. Затраты для охлаждения составят 206 кВт * ч, а геотермальная система снизит затраты на 137 кВт * ч.
На протяжении года работу такой геотермальной системы оценивают с помощью коэффициента — SPF (фактор сезонной мощности), который определяется как отношение количества полученной тепловой энергии к количеству потребленной электрической с учетом сезонных изменений температуры воздуха/грунта.
Для получения от грунта 2634 кВт·ч тепловой мощности в год вентиляционной установкой тратится 635 кВт·ч электроэнергии.
SPF = 2634/635 = 4,14.
По материалам: EcoTown

Температура земли на глубине

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *