Температура под землей на 15 метров глубины. Энергия земли для отопления дома

Температура внутри Земли. Определение температуры в оболочках Земли основывается на различных, часто косвенных данных. Наиболее достоверные температурные данные относятся к самой верхней части земной коры, вскрываемой шахтами и буровыми скважинами до максимальных глубин- 12 км (Кольская скважина).

Нарастание температуры в градусах Цельсия на единицу глубины называют геотермическим градиентом, а глубину в метрах, на протяжении которой температура увеличивается на 1 0 С - геотермической ступенью. Геотермический градиент и соответственно геотермическая ступень изменяются от места к месту в зависимости от геологических условий, эндогенной активности в различных районах, а также неоднородной теплопроводности горных пород. При этом, по данным Б. Гутенберга, пределы колебаний отличаются более чем в 25 раз. Примером тому являются два резко различных градиента: 1) 150 o на 1 км в штате Орегон (США), 2) 6 o на 1 км зарегистрирован в Южной Африке. Соответственно этим геотермическим градиентам изменяется и геотермическая ступень от 6,67 м в первом случае до 167 м - во втором. Наиболее часто встречаемые колебания градиента в пределах 20-50 o , а геотермической ступени -15-45 м. Средний геотермический градиент издавна принимался в 30 o С на 1 км.

По данным В. Н. Жаркова, геотермический градиент близ поверхности Земли оценивается в 20 o С на 1 км. Если исходить из этих двух значений геотермического градиента и его неизменности в глубь Земли, то на глубине 100 км должна была бы быть температура 3000 или 2000 o С. Однако это расходится с фактическими данными. Именно на этих глубинах периодически зарождаются магматические очаги, из которых изливается на поверхность лава, имеющая максимальную температуру 1200-1250 o . Учитывая этот своеобразный "термометр", ряд авторов (В. А. Любимов, В. А. Магницкий) считают, что на глубине 100 км температура не может превышать 1300-1500 o С.

При более высоких температурах породы мантии были бы полностью расплавлены, что противоречит свободному прохождению поперечных сейсмических волн. Таким образом, средний геотермический градиент прослеживается лишь до некоторой относительно небольшой глубины от поверхности (20-30 км), а дальше он должен уменьшаться. Но даже и в этом случае в одном и том же месте изменение температуры с глубиной неравномерно. Это можно видеть на примере изменения температуры с глубиной по Кольской скважине, расположенной в пределах устойчивого кристаллического щита платформы. При заложении этой скважины рассчитывали на геотермический градиент 10 o на 1 км и, следовательно, на проектной глубине (15 км) ожидали температуру порядка 150 o С. Однако такой градиент был только до глубины 3 км, а далее он стал увеличиваться в 1,5-2,0 раза. На глубине 7 км температура была 120 o С, на 10 км -180 o С, на 12 км -220 o С. Предполагается, что на проектной глубине температура будет близка к 280 o С. Вторым примером являются данные по скважине, заложенной в Северном Прикаспии, в районе более активного эндогенного режима. В ней на глубине 500 м температура оказалась равной 42,2 o С, на 1500 м-69,9 o С, на 2000 м-80,4 o С, на 3000 м - 108,3 o С.

Какова же температура в более глубоких зонах мантии и ядра Земли? Более или менее достоверные данные получены о температуре основания слоя В верхней мантии (см. рис. 1.6). По данным В. Н. Жаркова, "детальные исследования фазовой диаграммы Mg 2 SiO 4 - Fe 2 Si0 4 позволили определить реперную температуру на глубине, соответствующей первой зоне фазовых переходов (400 км)" (т.е. перехода оливина в шпинель). Температура здесь в результате указанных исследований около 1600 50 o С.

Вопрос о распределении температур в мантии ниже слоя В и ядре Земли еще не решен, и поэтому высказываются различные представления. Можно только предположить, что температура с глубиной увеличивается при значительном уменьшении геотермического градиента и увеличении геотермической ступени. Предполагают, что температура в ядре Земли находится в пределах 4000-5000 o С.

Средний химический состав Земли. Для суждения о химическом составе Земли привлекаются данные о метеоритах, представляющих собой наиболее вероятные образцы протопланетного материала, из которого сформировались планеты земной группы и астероиды. К настоящему времени хорошо изучено много выпавших на Землю в разные времена и в разных местах метеоритов. По составу выделяют три типа метеоритов: 1)железные, состоящие главным образом из никелистого железа (90-91% Fe), с небольшой примесью фосфора и кобальта; 2) железокаменные (сидеролиты), состоящие из железа и силикатных минералов; 3) каменные, илиаэролиты, состоящие главным образом из железисто-магнезиальных силикатов и включений никелистого железа.

Наибольшее распространение имеют каменные метеориты- около 92,7% всех находок, железокаменные 1,3% и железные 5,6%. Каменные метеориты подразделяют на две группы: а) хондриты с мелкими округлыми зернами - хондрами (90%); б) ахондриты, не содержащие хондр. Состав каменных метеоритов близок к ультраосновным магматическим породам. По данным М. Ботта, в них около 12% железоникелевой фазы.

На основании анализа состава различных метеоритов, а также полученных экспериментальных геохимических и геофизических данных, рядом исследователей дается современная оценка валового элементарного состава Земли, представленная в табл. 1.3.

Как видно из данных таблицы, повышенное распространение относится к четырем важнейшим элементам - О, Fe, Si, Mg, составляющим свыше 91%. В группу менее распространенных элементов входят Ni, S, Ca, A1. Остальные элементы периодической системы Менделеева в глобальных масштабах по общему распространению имеют второстепенное значение. Если сравнить приведенные данные с составом земной коры, то отчетливо видно существенное различие, заключающееся в резком уменьшении О, A1, Si и значительном увеличении Fe, Mg и появлении в заметных количествах S и Ni.

Фигуру Земли называют геоидом. О глубинном строении Земли судят по продольным и поперечным сейсмическим волнам, которые, распространяясь внутри Земли, испытывают преломление, отражение и затухание, что свидетельствует о расслоенности Земли. Выделяют три главные области:

земная кора;

мантия: верхняя до глубины 900 км, нижняя до глубины 2900 км;

ядро Земли внешнее до глубины 5120 км, внутреннее до глубины 6371 км.

Внутреннее тепло Земли связано с распадом радиоактивных элементов - урана, тория, калия, рубидия и др. Средняя, величина теплового потока составляет 1,4-1,5 мккал/см 2. с.

1. Каковы форма и размеры Земли?

2. Какие существуют методы изучения внутреннего строения Земли?

3. Каково внутреннее строение Земли?

4. Какие сейсмические разделы первого порядка четко выделяются при анализе строения Земли?

5. Каким границам соответствуют разделы Мохоровичича и Гутенберга?

6. Какая средняя плотность Земли и как она изменяется на границе мантии и ядра?

7. Как изменяется тепловой поток в различных зонах? Как понимается изменение геотермического градиента и геотермической ступени?

8. По каким данным определяется средний химический состав Земли?

Литература

• Войткевич Г.В. Основы теории происхождения Земли. М., 1988.

• Жарков В.Н. Внутреннее строение Земли и планет. М., 1978.

• Магницкий В.А. Внутреннее строение и физика Земли. М., 1965.

• Очерки сравнительной планетологии. М., 1981.

• Рингвуд А.Е. Состав и происхождение Земли. М., 1981.

Изменение температуры с глубиной. Земная поверхность в силу неравномерного поступления солнечного тепла то нагревается, то охлаждается. Эти колебания температуры проникают в толщину Земли очень неглубоко. Так, суточные колебания на глубине 1 м обычно уже почти не ощущаются. Что же касается годовых колебаний, то они проникают на разную глубину: в теплых странах на 10-15 м, а в странах с холодной зимой и жарким летом до 25-30 и даже 40 м. Глубже 30-40 м уже всюду на Земле температура держится неизменной. Например, термометр, поставленный в подвале Парижской обсерватории, все время на протяжении свыше 100 лет показывает 11°,85С.

Слой с постоянной температурой наблюдается на всем земном шаре и носит название пояса постоянной или нейтральной температуры. Глубина залегания этого пояса в зависимости от климатических условий различна, а температура равна приблизительно средней годовой температуре данного места.

При углублении в Землю ниже слоя постоянной температуры обыкновенно замечается постепенное повышение температуры. Впервые это было замечено рабочими глубоких рудников. Замечалось это и при прокладке тоннелей. Так, например, при прокладке Симплонского тоннеля (в Альпах) температура повышалась до 60°, что создавало немалые трудности в работе. Еще более высокие температуры наблюдаются в глубоких буровых скважинах. Примером может служить Чуховская скважина (Верхняя Силезия), в которой на глубине 2220 м температура была свыше 80° (83°, 1) и т. д. На основании очень многих наблюдений, произведенных в самых различных местах Земли, удалось установить, что в среднем при углублении на каждые 33 м температура возрастает на 1°С.

Число метров, на которое нужно углубиться в Землю, чтобы температура возросла на 1°С, называют геотермическо ступенью. Геотермическая ступень в различных случаях неодинакова и чаще всего она колеблется от 30 до 35 м. В некоторых случаях эти колебания могут быть и выше. Например, в штате Мичиган (США), в одной из буровых скважин, расположенных близ оз. Мичиган, геотермическая ступень оказалась не 33, а 70 м. Наоборот, очень малая геотермическая ступень наблюдалась в одной из скважин Мексики, Там на глубине 670 м появилась вода с температурой в 70°. Таким образом, геотермическая ступень оказалась всего около 12 м. Малые геотермические ступени наблюдаются также в вулканических областях, где на небольших глубинах могут быть еще неостывшие толщи изверженных пород. Но все подобные случаи являются не столько правилами, сколько исключениями.

Причин, влияющих на геотермическую ступень, много. (Кроме приведенных выше, можно указать на различную теплопроводность горных пород, на характер залегания пластов и др.

Большое значение в распределении температур имеет рельеф местности. Последнее хорошо можно заметить на приложенном чертеже (рис. 23), изображающем разрез Альп по линии Симплонского тоннеля, с нанесенными пунктиром геоизотермами (т. е. линиями одинаковых температур внутри Земли). Геоизотермы здесь как бы повторяют рельеф, но с глубиной влияние рельефа постепенно уменьшается. (Сильный изгиб геоизотерм вниз у Балле обусловливается наблюдающейся здесь сильной циркуляцией вод.)

Температура Земли на больших глубинах. Наблюдения над температурами в буровых скважинах, глубина которых редко превышает 2-3 км, естественно, не могут дать представления о температурах более глубоких слоев Земли. Но здесь нам на помощь приходят некоторые явления из жизни земной коры. К числу таких явлений относится вулканизм. Вулканы, широко распространенные по земной поверхности, выносят на поверхность Земли расплавленные лавы, температура которых свыше 1000°. Стало быть, на больших глубинах мы имеем температуры, превышающие 1000°.

Было время, когда ученые на основании геотермической ступени пытались вычислить ту глубину, на которой могли быть столь высокие температуры, как 1000-2000°. Однако подобные вычисления нельзя считать достаточно обоснованными. Наблюдения, производившиеся над температурой остывающего базальтового шара, и теоретические расчеты дают основание говорить, что величина геотермической ступени с глубиной увеличивается. Но в каких пределах и до какой глубины идет подобное увеличение, мы также пока сказать не можем.

Если допустить, что температура с глубиной возрастает непрерывно, то в центре Земли она должна измеряться десятками тысяч градусов. При таких температурах все известные нам горные породы должны перейти в жидкое состояние. Правда, внутри Земли огромное давление, и мы ничего не знаем о состоянии тел при подобных давлениях. Тем не менее у нас нет никаких данных утверждать, что температура с глубиной непрерывно возрастает. Сейчас большинство геофизиков приходит к выводу о том, что температура внутри Земли вряд ли может быть больше 2000°.

Источники тепла. Что касается источников тепла, обусловливающих внутреннюю температуру Земли, то они могут быть различны. Исходя из гипотез, которые считают Землю образовавшейся из раскаленной и расплавленной массы, внутреннее тепло нужно считать остаточным теплом стывающего с поверхности тела. Однако есть основания полагать, что причиной внутренней высокой температуры Земли может быть радиоактивный распад урана, тория, актиноурана, калия и других элементов, содержащихся в горных породах. Радиоактивные элементы большей частью распространены в кислых породах поверхностной оболочки Земли, меньше их встречается в глубинных основных породах. В то же время основные породы богаче ими, чем железные метеориты, которые считаются обломками внутренних частей космических тел.

Несмотря на небольшое количество радиоактивных веществ в горных породах и медленный их распад, общее количество тепла, получающееся за счет радиоактивного распада, велико. Советский геолог В. Г. Хлопин подсчитал, что радиоактивных элементов, содержащихся в верхней 90-километровой оболочке Земли достаточно, чтобы покрыть потерю тепла планеты путем лучеиспускания. Наряду с радиоактивным распадом тепловая энергия выделяется при сжатии вещества Земли, при химических реакциях и т, п.

В вертикальных коллекторах отбирается энергия из земли с помощью геотермальных земляных зондов. Это закрытые системы со скважинами диаметром 145-150мм и глубиной от 50 до 150м, по которым прокладываются трубы. На конце трубопровода инсталлируется возвратное U колено. Обычно установка осуществляется с помощью одноконтурного зонда с трубами 2x d40 («шведская система»), или двухконтурного зонда с трубами 4x d32. Двухконтурные зонды должны достигать на 10-15% больший отбор тепла. При скважинах глубже чем 150 м нужно использовать трубы 4xd40 (для понижения потери давления).

В настоящее время большая часть скважин для отбора тепла земли имеет глубину 150 м. На большей глубине можно получить больше тепла, но при этом затраты на такие скважины будут очень высоки. Поэтому важно заранее просчитать затраты на установку вертикального коллектора в сравнении с предполагаемой экономией в будущем. В случае инсталляции системы активно-пассивного охлаждения более глубокие скважины не делают из-за высшей температуры в почве и более низком потенциале в момент отдачи тепла из раствора окружающей среде. В системе циркулирует незамерзающая смесь (спирт, глицерин, гликоль), разбавленная водой до нужной консистенции незамерзания. В тепловом насосе отдает тепло, отобранное у земли, хладагенту. Температура земли на глубине 20 м примерно 10°C, и растет каждые 30м на 1°C. На нее не оказывают влияние климатические условия, и поэтому можно рассчитывать на качественный отбор энергии и зимой и летом. Нужно добавить, что температура в земле немного отличается в начале сезона (сентябрь-октябрь) от температуре в конце сезона (март-апрель). Поэтому необходимо учитывать при расчете глубины вертикальных коллекторов длину отопительного сезона в месте инсталляции.

При отборе тепла с помощью геотермальных вертикальных зондов очень важным являются правильные расчеты и конструкция коллекторов. Для проведения грамотных расчетов необходимо знать, возможно ли бурение в месте инсталляции до желаемой глубины.

Для теплового насоса мощностью 10kW необходимо примерно 120-180 m скважины. Скважины должна быть размещены минимум 8м друг от друга. Количество и глубина скважин зависит от геологических условий, наличие подземных вод, способности почвы удерживать тепло и технологии бурения. При бурении нескольких скважин общая желаемая длина скважины разделится на количество скважин.

Преимуществом вертикального коллектора перед горизонтальным является меньший участок земли для использования, более стабильный источник тепла, и независимость источника тепла на погодных условиях. Минусом вертикальных коллекторов являются высокие затраты на земляные работы и постепенное охлаждение земли возле коллектора (необходимы грамотные расчеты необходимой мощности при проектировании).

Расчет необходимой глубины скважин

Информация,необходимая для предварительного расчета глубины и количества скважин:

Мощность теплового насоса

Выбранный тип отопления - «теплые полы», радиаторы, комбинированное

Предполагаемое количество часов эксплуатации теплового насоса за год, покрытие потребности в энергии

Место инсталляции

Использование геотермальной скважины - отопление, обогрев ГВС, сезонный подогрев бассейна, круглогодичный подогрев бассейна

Использование функции пассивного (активного) охлаждения в объекте

Общее годовое потребление тепла для отопления (MВ/час)

Ну кому же не хочется бесплатно отапливать свой дом, особенно во время кризиса, когда каждая копейка на счету.

Мы уже затрагивали тему, как , наступила очередь противоречивой технологии отопления дома энергией земли (Геотермальное отопление).

На глубине около 15 метров, температура земли составляет примерно 10 градусов по Цельсию. Через каждые 33 метра, температура повышается на один градус. В итоге, для того, чтобы бесплатно отапливать дом, порядка 100 м2, достаточно пробурить скважину около 600 метров и получать тепло 22 градуса на протяжении всей жизни!

Теоретически, система бесплатного отопления от энергии земли достаточно проста. В скважину закачивается холодная вода, которая нагревается до 22 градусов и по законам физики с небольшой помощью насоса (400-600 вт) поднимается по утепленным трубам в дом.

Недостатки использования энергии земли для отопления частного дома:

— Давайте более подробно разберем финансовые затраты на создание такой системы отопления. Средняя стоимость 1 м бурения скважины составляет порядка 3000 рублей. Итого глубина в 600 метров обойдется в 1 800 000 рублей. И это только бурение! Без установки оборудования для закачки и подъема теплоносителя.

— В разных регионах России свои особенности грунтов. В некоторых местах пробурить скважину в 50 метров задача не из легких. Требуются усиленные обсадные трубы, укрепление шахты и т.д.

— Утепление ствола шахты на такую глубину практически невозможно. Следует, что вода не будет подниматься с температурой 22 градуса.

— Для того, чтобы пробурить скважину в 600 метров требуется разрешение;

— Допустим, вода разогретая до 22 градусов попадает в дом. Вопрос, как «снять» полностью с носителя всю энергию земли? Максимум, при прохождении по трубам в теплом доме опуститься до 15 градусов. Таким образом нужен мощный насос, который будет в десятки раз больше прогонять воды с 600 метровой глубины для получения хоть какого-то эффекта. Здесь закладываем не сопоставимый с экономией расход электроэнергии.

На глубине около 15 метров, температура земли составляет примерно 10 градусов по Цельсию

Следует логичный вывод, что уже далеко не бесплатным отопление дома энергией земли может позволить только человек далеко не бедный, которому экономия на отоплении особо и не нужна. Конечно, можно сказать, что такая технология будет служить сотни лет и детям и внукам, но все это фантазии.

Идеалист скажет, что дом строит на века, а реалист всегда будет рассчитывать на инвестиционную составляющую — строю для себя, но в любой момент продам. Не факт, что детки будут привязаны к этому дому и не захотят его продать.

Энергия земли для отопления дома эффективна в следующих регионах:

На Кавказе есть действующие примеры работающих скважин с минеральной водой выходящей наружу самоизливом, с температурой 45 градусов с учетом глубинной температуры около 90 градусов.

На Камчатке использование геотермальных источников с температурой на выходе около 100 градусов — самый оптимальный вариант использования энергии земли для отопления дома.

Технологии развиваются бешеными темпами. КПД классических систем отопления растет на глазах. Несомненно и отопление дома энергией земли станет менее дорогой.

Видео: Геотермальное отопление. Энергия земли.

Для моделирования температурных полей и для других расчётов необходимо узнать температуру грунта на заданной глубине.

Температуру грунта на глубине измеряют с помощью вытяжных почвенно- глубинных термометров. Это плановые исследования, которые регулярно проводят метеорологические станции. Данные исследований служат основой для климатических атласов и нормативной документации.

Для получения температуры грунта на заданной глубине можно попробовать, например, два простых способа. Оба способа заключаются в использовании справочной литературы:

1. Для приближённого определения температуры можно использовать документ ЦПИ-22. «Переходы железных дорог трубопроводами». Здесь в рамках методики теплотехнического расчёта трубопроводов приводится таблица 1, где для определённых климатических районов приводятся величины температур грунта в зависимости от глубины измерения. Эту таблицу я привожу здесь ниже.

Таблица 1

1. Таблица температур грунта на различных глубинах из источника «в помощь работнику газовой промышленности» еще времён СССР

Нормативные глубины промерзания для некоторых городов:

Глубина промерзания грунта зависит от типа грунта:

Я думаю, что самый простой вариант, это воспользоваться вышеуказанными справочными данными, а затем интерполировать.

Самый надёжный вариант для точных расчётов с использованием температур грунта — воспользоваться данными метеорологических служб. На базе метеорологических служб работают некоторые онлайн справочники. Например, http://www.atlas-yakutia.ru/.

Здесь достаточно выбрать населённый пункт, тип грунта и можно получить температурную карту грунта или её данные в табличной форме. В принципе, удобно, но похоже этот ресурс платный.

Если Вы знаете ещё способы определения температуры грунта на заданной глубине, то, пожалуйста, пишите комментарии.

Возможно Вам будет интересен следующий материал: