Температура внутри земли чаще всего является довольно субъективным показателем, поскольку точную температуру можно назвать только в доступных местах, например, в Кольской скважине (глубина 12 км). Но это место относится к наружной части земной коры.

Температуры разных глубин Земли

Как выяснили ученые, температура поднимается на 3 градуса каждые 100 метров вглубь Земли. Эта цифра является постоянной для всех континентов и частей земного шара. Такой рост температуры происходит в верхней части земной коры, примерно первые 20 километров, далее температурный рост замедляется.

Самый большой рост зафиксирован в США, где температура поднялась на 150 градусов за 1000 метров вглубь земли. Самый медленный рост зафиксирован в Южной Африке, столбик термометра поднялся всего лишь на 6 градусов по Цельсию.

На глубине около 35-40 километров температура колеблется в районе 1400 градусов. Граница мантии и внешнего ядра на глубине от 25 до 3000 км раскаляется от 2000 до 3000 градусов. Внутренние ядро нагрето до 4000 градусов. Температура же в самом центре Земли, по последним сведениям, полученным в результате сложных опытов, составляет около 6000 градусов. Такой же температурой может похвастаться и Солнце на своей поверхности.

Минимальные и максимальные температуры глубин Земли

При расчете минимальной и максимальной температуры внутри Земли в расчет не берут данные пояса постоянной температуры. В этом поясе температура является постоянной на протяжении всего года. Пояс располагается на глубине от 5 метров (тропики) и до 30 метров (высокие широты).

Максимальная температура была измерена и зафиксирована на глубине около 6000 метров и составила 274 градуса по Цельсию. Минимальная же температура внутри земли фиксируется в основном в северных районах нашей планеты, где даже на глубине более 100 метров термометр показывает минусовую температуру.

Откуда исходит тепло и как оно распределяется в недрах планеты

Тепло внутри земли исходит от нескольких источников:

1) Распад радиоактивных элементов ;

2) Разогретая в ядре Земли гравитационная дифференциация вещества ;

3) Приливное трение (воздействие Луны на Землю, сопровождающееся замедлением последней) .

Это некоторые варианты возникновения тепла в недрах земли, но вопрос о полном списке и корректности уже имеющегося открыт до сих пор.

Тепловой поток, исходящий из недр нашей планеты, изменяется в зависимости от структурных зон. Поэтому распределение тепла в месте, где находится океан, горы или равнины, имеет совершенно разные показатели.

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)

Здесь опубликована динамика изменения зимних (2012-13г.г.) температур земли на глубине 130 сантиметров под домом (под внутренним краем фундамента), а также - на уровне земли и температуры воды, идущей из скважины. Всё это - на стояке, идущем из скважины.
График - внизу статьи.
Дача (на границе Новой Москвы и Калужской области) зимняя, периодического посещения (2-4 раза в месяц по паре дней).
Отмостка и цоколь дома - не утеплены, еще с осени закрыты теплоизолирующими затычками (10см. пены). Теплопотери веранды, куда выходит стояк в январе изменились. См. Примечание 10.
Измерения на глубине 130см производятся системой Кситал GSM (), дискрет - 0,5*С, доп. погрешность - около 0,3*С.
Датчик установлен в заваренной снизу 20мм трубке из ПНД возле стояка, (с внешней стороны теплоизоляции стояка, но внутри 110мм трубы).
По оси абсцисс - даты, по оси ординат - температуры.
Примечание 1:
Температуру воды в скважине, а также - на уровне земли под домом, прямо на стояке без воды тоже буду отслеживать, но только по приезду. Погрешность - около +-0,6*С.
Примечание 2:
Температура на уровне земли под домом, у стояка водопровода опускалась в отсутствии людей и воды уже до минус 5*С. Это говорит о том, что я не зря сделал систему - Кстати, термостат, показавший -5*С - как раз от этой системы (RT-12-16).
Примечание 3:
Температура воды "в скважине" меряется тем же датчиком (он же - в Примечании 2), что и "на уровне земли" - он стоит прямо на стояке под теплоизоляцией, вплотную к стояку на уровне земли. Эти два измерения производятся в разные моменты времени. "На уровне земли" - до закачки воды в стояк и "в скважине" - после прокачки примерно 50-ти литров в течение получаса с перерывами.
Примечание 4:
Температура воды в скважине может быть несколько занижена, т.к. я не могу искать эту долбаную асимптоту, бесконечно качая воду (моя )... Как умею - так играю.
Примечание 5: Не актуально, удалил.
Примечание 6:
Погрешность фиксации уличной температуры примерно +-(3-7)*С.
Примечание 7:
Скорость остывания воды на уровне земли (без включения насоса) очень приблизительно 1-2*С в час (это - при минус 5*С на уровне земли).
Примечание 8:
Забыл описать, как у меня устроен и утеплен подземный стояк. На ПНД-32 надето два чулка утеплителя в сумме - 2см. толщины (видимо, вспененный полиэтилен), всё это вставлено в 110мм канализационную трубу и там запенено до глубины 130см. Правда, поскольку ПНД-32 шла не по центру 110-ой трубы, а также то, что в своей середине масса обычной пены может долго не застывать, а значит - не превращаться в утеплитель, то в качестве такого дополнительного утепления я сильно сомневаюсь... Наверное, было бы лучше использовать двухкомпонентную пену, о существовании которой я узнал только позже...
Примечание 9:
Хочу обратить внимание читателей на измерение температуры "На уровне земли" от 12.01.2013г. и от 18.01.2013г. Здесь, по моему мнению, величина в +0,3*С заметно выше ожидаемой. Думаю, что это - следствие операции "Засыпка снегом цоколя у стояка", проведенная 31.12.2012г.
Примечание 10:
С 12 января по 3 февраля произвел дополнительное утепление веранды, куда выходит подземный стояк.
В результате по приблизительным прикидкам теплопотери веранды были снижены со 100 Вт/кв.м. пола до примерно 50 (это - при минус 20*С на улице).
Отразилось это и на графиках. См. температуру на уровне земли 9 февраля: +1,4*С и 16 февраля: +1,1 - таких высоких температур еще не было с начала реальной зимы.
И еще: с 4 по 16 февраля впервые за две зимы с воскресенья по пятницу котел не включался для поддержания установленного минимума температуры потому, что она не дошла до этого минимума...
Примечание 11:
Как и обещал (для "порядка" и для завершения годового цикла) буду периодически публиковать температуры летом. Но - не в графике, чтобы зиму не "затенять", а здесь, в Примечании-11.
11 мая 2013г.
Продухи после 3-х недель проветривания закрыл до осени во избежание отложения конденсата.
13 мая 2013г. (на улице уже неделю +25-30*С):
- под домом на уровне земли +10,5*С,
- под домом на глубине 130см. +6*С,

12 июня 2013г.:
- под домом на уровне земли +14,5*С,
- под домом на глубине 130см. +10*С.
- вода в скважине с глубины 25м не выше +8*С.
26 июня 2013г.:
- под домом на уровне земли +16*С,
- под домом на глубине 130см. +11*С.
- вода в скважине с глубины 25м не выше +9,3*С.
19 августа 2013г.:
- под домом на уровне земли +15,5*С,
- под домом на глубине 130см. +13,5*С.
- вода в скважине с глубины 25м не выше +9,0*С.
28 сентября 2013г.:
- под домом на уровне земли +10,3*С,
- под домом на глубине 130см. +12*С.
- вода в скважине с глубины 25м =+8,0*С.
26 октября 2013г.:
- под домом на уровне земли +8,5*С,
- под домом на глубине 130см. +9,5*С.
- вода в скважине с глубины 25м не выше +7,5*С.
16 ноября 2013г.:
- под домом на уровне земли +7,5*С,
- под домом на глубине 130см. +9,0*С.
- вода в скважине с глубины 25м +7,5*С.
20 февраля 2014г.:
Наверно, это последняя запись в этой статье.
Всю зиму живем в доме постоянно, смысл в повторении прошлогодних измерений - небольшой, поэтому только две существенные цифры:
- минимальная температура под домом на уровне земли в самые морозы (-20 - -30*С) через неделю после их начала неоднократно опускалась ниже +0,5*С. В эти моменты у меня срабатывала

Это могло бы показаться фантастикой, если бы не было правдой. Оказывается, в суровых сибирских условиях можно получать тепло прямо из земли. Первые объекты с геотермальными системами отопления появились в Томской области в прошлом году, и хотя они позволяют снизить себестоимость тепла по сравнению с традиционными источниками примерно в четыре раза, массового хождения «под землю» пока нет. Но тренд заметен и главное - набирает обороты. По сути, это наиболее доступный альтернативный источник энергии для Сибири, где не всегда могут показать свою эффективность, например, солнечные батареи или ветряные генераторы. Геотермальная энергия, по сути, просто лежит у нас под ногами.

«Глубина промерзания грунта составляет 2–2,5 метра. Температура земли ниже этой отметки остается одинаковой и зимой и летом в диапазоне от плюс одного до плюс пяти градусов Цельсия. Работа теплового насоса построена на этом свойстве, - говорит энергетик управления образования администрации Томского района Роман Алексеенко . - В земляной контур на глубину 2,5 метра закапывают сообщающиеся трубы, на расстоянии примерно полутора метров друг от друга. В системе труб циркулирует теплоноситель - этиленгликоль. Внешний горизонтальный земляной контур сообщается с холодильной установкой, в которой циркулирует хладагент - фреон, газ с низкой температурой кипения. При плюс трех градусах Цельсия этот газ начинает закипать, и когда компрессор резко сжимает кипящий газ, температура последнего возрастает до плюс 50 градусов Цельсия. Нагретый газ направляется в теплообменник, в котором циркулирует обычная дистиллированная вода. Жидкость нагревается и разносит тепло по всей системе отопления, уложенной в полу».

Чистая физика и никаких чудес

Детский сад, оборудованный современной датской системой геотермального отопления открылся в поселке Турунтаево под Томском летом прошлого года. По словам директора томской компании «Экоклимат» Георгия Гранина , энергоэффективная система позволила в несколько раз снизить плату за теплоснабжение. За восемь лет это томское предприятие уже оснастило геотермальными системами отопления около двухсот объектов в разных регионах России и продолжает заниматься этим в Томской области. Так что в словах Гранина сомневаться не приходится. За год до открытия садика в Турунтаево «Экоклимат» оборудовал системой геотермального отопления, которая обошлась в 13 млн руб­лей, еще один детский сад «Солнечный зайчик» в микрорайоне Томска «Зеленые горки». По сути это был первый опыт такого рода. И он оказался вполне успешным.

Еще в 2012 году в ходе визита в Данию, организованного по программе Евро Инфо Корреспондентского Центра (ЕИКЦ-Томская область), компании удалось договориться о сотрудничестве с датской компанией Danfoss. А сегодня датское оборудование помогает добывать тепло из томских недр, и, как говорят без лишней скромности специалисты, получается довольно эффективно. Основной показатель эффективности - экономичность. «Отопительная система здания детского сада площадью 250 квадратных метров в Турунтаево обошлась в 1,9 миллиона руб­лей, - говорит Гранин. - А плата за отопление составляет 20–25 тысяч руб­лей в год». Эта сумма несопоставима с той, которую садик платил бы за тепло, используя традиционные источники.

Система без проблем проработала в условиях сибирской зимы. Был произведен расчет соответствия теплового оборудования нормам СанПиН, по которым оно должно поддерживать в здании детского сада температуру не ниже +19°C при температуре наружного воздуха -40°C. Всего на перепланировку, ремонт и переоборудование здания было затрачено около четырех миллионов руб­лей. Вместе с тепловым насосом сумма составила чуть меньше шести миллионов. Благодаря тепловым насосам сегодня отопление детского сада представляет собой полностью изолированную и независимую систему. В здании теперь нет традиционных батарей, а отопление помещения реализуется при помощи системы «теплый пол».

Турунтаевский садик утеплен, что называется, «от» и «до» - в здании обустроена дополнительная теплоизоляция: поверх существующей стены (толщиной в три кирпича) установлен 10-сантиметровый слой утеплителя, эквивалентный двум–трем кирпичам. За утеплителем находится воздушная прослойка, а следом - металлический сайдинг. Таким же образом утеплена и крыша. Основное внимание строителей сосредоточилось на «теплом полу» - системе отопления здания. Получилось несколько слоев: бетонный пол, слой пенопласта толщиной 50 мм, система труб, в которых циркулирует горячая вода и линолеум. Несмотря на то, что температура воды в теплообменнике может достигать +50°C, максимальный нагрев фактического напольного покрытия не превышает +30°C. Фактическая температура каждой комнаты может регулироваться вручную - автоматические датчики позволяют устанавливать температуру пола таким образом, чтобы помещение детского сада прогревалось до положенных санитарными нормами градусов.

Мощность насоса в Турунтаевском садике составляет 40 кВт вырабатываемой тепловой энергии, для производства которых тепловому насосу требуется 10 кВт электрической мощности. Таким образом, из 1 кВт потребляемой электрической энергии тепловой насос производит 4 кВт тепловой. «Мы немного боялись зимы - не знали, как поведут себя тепловые насосы. Но даже в сильные морозы в садике было стабильно тепло - от плюс 18 до 23 градусов Цельсия, - говорит директор Турунтаевской средней школы Евгений Белоногов . - Конечно, здесь стоит учесть, что и само здание было хорошо утеплено. Оборудование неприхотливо в обслуживании, и несмотря на то, что это разработка западная, в наших суровых сибирских условиях она показала себя довольно эффективно».

Комплексный проект по обмену опытом в сфере ресурсосбережения был реализован ЕИКЦ-Томская область Томской ТПП. Его участниками стали малые и средние предприятия, разрабатывающие и внедряющие ресурсосберегающие технологии. В мае прошлого года в рамках российско-датского проекта Томск посетили датские эксперты, и результат получился, что называется, налицо.

Инновации приходят в школу

Новая школа в селе Вершинино Томского района, построенная фермером Михаилом Колпаковым , - это третий объект в области, использующей в качестве источника тепла для отопления и горячего водоснабжения тепло земли. Школа уникальна еще и потому, что имеет наивысшую категорию энергоэффективности - «А». Систему отопления спроектировала и запустила все та же компания «Экоклимат».

«Когда мы принимали решение, какое отопление сделать в школе, у нас было несколько вариантов - угольная котельная и тепловые насосы, - говорит Михаил Колпаков. - Мы изучили опыт энергоэффективного детского сада в Зеленых Горках и посчитали, что отопление по старинке, на угле, нам обойдется более чем в 1,2 миллиона руб­лей за зиму, да еще и горячая вода нужна. А с тепловыми насосами затраты составят около 170 тысяч за весь год, вместе с горячей водой».

Для производства тепла системе необходимо только электричество. Потребляя 1 кВт электроэнергии, тепловые насосы в школе производят около 7 кВт тепловой энергии. Кроме того, в отличие от угля и газа, тепло земли - самовозобновляемый источник энергии. Установка современной отопительной системы школе обошлась примерно в 10 млн руб­лей. Для этого на территории школы пробурили 28 скважин.

«Арифметика здесь простая. Мы посчитали, что обслуживание угольной котельной, с учетом зарплаты истопнику и стоимости топлива, в год обойдется более чем в миллион руб­лей, - отмечает начальник управления образования Сергей Ефимов . - При использовании тепловых насосов придется платить за все ресурсы около пятнадцати тысяч руб­лей в месяц. Несомненные плюсы использования тепловых насосов - это их экономичность и экологичность. Система теплоснабжения позволяет регулировать подачу тепла в зависимости от погоды на улице, что исключает так называемые «недотопы» или «перетопы» помещения».

По предварительным расчетам, дорогостоящее датское оборудование окупит себя за четыре–пять лет. Срок службы тепловых насосов компании Danfoss, с которыми работает ООО «Экоклимат», - 50 лет. Получая информацию о температуре воздуха на улице, компьютер определяет, когда греть школу, а когда можно этого не делать. Поэтому вопрос о дате включения и отключения отопления отпадает вообще. Независимо от погоды за окнами внутри школы для детей всегда будет работать климат-контроль.

«Когда в прошлом году на общероссийское совещание приехал чрезвычайный и полномочный посол королевства Дании и посетил наш детский сад в «Зеленых Горках», он был приятно удивлен, что те технологии, которые даже в Копенгагене считаются инновационными, применены и работают в Томской области, - говорит коммерческий директор компании «Экоклимат» Александр Гранин .

В целом использование местных возоб­новляемых источников энергии в различных отраслях экономики, в данном случае в социальной сфере, куда относятся школы и детские сады, - одно из основных направлений, реализуемых в регионе в рамках программы по энергосбережению и повышению энергетической эффективности. Развитие возобновляемой энергетики активно поддерживает губернатор региона Сергей Жвачкин . И три бюджетных учреждения с системой геотермального отопления - лишь первые шаги по реализации большого и перспективного проекта.

Детский сад в «Зеленых Горках» на конкурсе в Сколково был признан лучшим энергоэффективным объектом России. Затем появилась Вершининская школа с геотермальным отоплением также наивысшей категории энергоэффективности. Следующий объект, не менее значимый для Томского района, - детский сад в Турунтаево. В нынешнем году компании «Газхимстройинвест» и «Стройгарант» уже приступили к строительству детских садов на 80 и 60 мест в поселках Томского района Копылово и Кандинке соответственно. Оба новых объекта будут отапливаться геотермальными системами отопления - от тепловых насосов. Всего в этом году на строительство новых садиков и ремонт существующих районная администрация намерена израсходовать почти 205 млн руб­лей. Предстоит реконструкция и переоборудование здания под детский сад в селе Тахтамышево. В этом здании отопление также будет реализовано посредством тепловых насосов, поскольку система успела себя хорошо зарекомендовать.

Температура грунта непрерывно изменяется по глубине и во времени. Она зависит от целого ряда факторов, из которых многие трудно поддаются учету. К последним, например, относится: характер растительности, экспозиция склона по сторонам света, затененность, снеговой покров, характер самих грунтов, наличие надмерзлотных вод и др. Однако температура грунта, как по величине, так и по характеру распределения сохраняется из года в год достаточно устойчиво, и решающее влияние здесь остается за температурой воздуха.

Температура грунта на разных глубинах и в различные периоды года может быть получена непосредственными измерениями в термоскважинах, которые закладываются в процессе изысканий. Но такой способ требует длительных наблюдений и значительных расходов, что не всегда оправдано. Полученные по одной-двум скважинам данные распространяются на большие площади и протяжения, значительно искажая действительность так, что расчетные данные о температуре грунта во многих случаях оказываются более надежными.

Температура грунта вечномерзлой толщи на любой глубине (до 10 м от поверхности) и на любой период года может быть определена по формуле:

tr = mt°, (3.7)

где z – глубина, отсчитываемая от ВГМ, м;

tr – температура грунта на глубине z, в град.

τr– время равное году (8760 ч);

τ - время, отсчитываемое вперед (через 1 января) от момента начала осеннего замерзания грунта до момента, для которого ведется отсчет температуры, в ч;

еxp х – экспонента (показательная функция exp берется по таблицам);

m – коэффициент, зависящий от периода года (для периода октябрь – май m = 1,5-0,05z, а для периода июнь- сентябрь m = 1)

Самая низкая температура на заданной глубине будет тогда, когда косинус в формуле (3.7) станет равным -1, т. е. минимальная температура грунта за год на данной глубине составит

tr мин = (1,5-0,05z) t°, (3.8)

Максимальная температура грунта на глубине z ,будет тогда, когда косинус примет значение, равное единице т.е.

tr макс = t°, (3.9)

Во всех трех формулах значение объемной теплоемкости С м следует рассчитывать для температуры грунта t° по формуле (3.10).

С 1 м = 1/W, (3.10)

Температуру грунта в слое сезонного оттаивания можно также определить расчетом, приняв во внимание, что изменение температуры в этом слое достаточно точно апроксимируется линейной зависимостью при следующих температурных градиентах (табл.3.1).

Рассчитав по одной из формул (3.8) – (3.9) температуру грунта на уровне ВГМ, т.е. положив в формулах Z=0, затем с помощью таблицы 3.1 определяем температуру грунта на заданной глубине в слое сезонного оттаивания. В самых верхних слоях грунта, примерно до 1 м от поверхности, характер температурных колебаний очень сложен.

Таблица 3.1

Температурный градиент в слое сезонного оттаивания на глубине ниже 1 м от поверхности земли

Примечание. Знак градиента показан в направлении к дневной поверхности.

Чтобы получить расчетную температуру грунта в метровом слое от поверхности, можно поступить следующим образом. Вычислить температуру на глубине 1 м и температуру дневной поверхности грунта, а затем путем интерполяции по этим двум значениям определить температуру на заданной глубине.

Температуру на поверхности грунта t п в холодный период года можно принимать равной температуре воздуха. В летний период:

t п = 2+1,15 t в, (3.11)

где t п - температура на поверхности в град.

t в – температура воздуха в град.

Температура грунта при несливающейся криолитозоне рассчитывается иначе, чем при сливающейся. Практически можно считать, что температура на уровне ВГМ будет равна 0°С в течении всего года. Расчетную температуру грунта вечномерзлой толщи на заданной глубине можно определить интерполяцией, считая, что она меняется на глубине по линейному закону от t° на глубине 10 м до 0°С на глубине залегания ВГМ. Температуру в талом слое h т можно принимать от 0,5 до 1,5°С.

В слое сезонного промерзания h п температуру грунта можно вычислить так же, как для слоя сезонного оттаивания сливающейся криолитозоны, т.е. в слое h п – 1 м по температурному градиенту (табл. 3.1), считая температуру на глубине h п равной 0°С в холодный период года и 1°С в летнее время. В верхнем метровом слое грунта температура определяется по интерполяции между температурой на глубине 1 м и температурой на поверхности.