Температура земли зимой и летом

Смена времен года является для нас обычным явлением. В холодные зимние дни мы мерзнем от суровых морозов, а с наступлением летнего периода страдаем от невыносимой жары. При этом мало кто из нас задумывается о причинах подобных процессов. Почему летом жарко, а зимой холодно? Что влияет на смену сезонов? И почему зима и лето в различных уголках нашей планеты наступают в разное время?

Почему зимой холодно, а летом жарко?

Смена времен года является для нас обычным явлением. В холодные зимние дни мы мерзнем от суровых морозов, а с наступлением летнего периода страдаем от невыносимой жары. При этом мало кто из нас задумывается о причинах подобных процессов.
Почему летом жарко, а зимой холодно? Что влияет на смену сезонов? И почему зима и лето в различных уголках нашей планеты наступают в разное время?

Днём суша здесь прогревается быстро, появляется конвекция и на высоте 16-18 км образуются мощные кучево-дождевые облака. Ежедневно после полудня идут ливневые дожди, часто сопровождаемые грозами. Над морем дожди бывают и ночью.

Тропический пояс

Отличается круглогодичной сухой и жаркой погодой. Температура между сезонами колеблется не сильно: летом воздух прогревается до +30-35 градусов, зимой — +10°. А вот относительно суточных перепадов — они могут составлять 10-20 градусов. Такие колебания вызывают пылевые бури. В данном климатическом поясе наблюдается малое количество осадков. Большая их часть выпадает зимой, что составляет всего 50-150 мм годовых. Это не касается прибрежных зон. Там климат намного мягче: не холодная зима и мягкое не засушливое лето. Резкие ветра не буйствуют, а основная часть осадков выпадает летом. В той или иной мере пояс пролегает на территории всех континентов, кроме Антарктиды.

В Южном полушарии тропический климатический пояс распространяется сплошной полосой, расширяясь над океанами. На океанах в течение всего года господствуют постоянные барические максимумы, в которых формируется тропическая воздушная масса.В Северном полушарии тропический пояс разрывается над полуостровом Индокитай и Индостан. Разрыв объясняется тем, что господство тропических воздушных масс тут в течение всего года не наблюдается. Летом в Южно-Азиатский минимум проникает экваториальный воздух, зимой из Азиатского максимума далеко к югу вторгаются полярные воздушные массы. Границами тропического климатического пояса являются границы тропического фронта.В тропическом климатическом поясе весь год господствуют тропические воздушные массы. На границах пояса, на полярном и тропическом фронтах влияние на климат оказывают циклоны.Климат в этом климатическом поясе подразделяют на

• Материковый тропический климат (экстрааридный)
• Тропический климат западных побережий («гаруз» – моросящий туман)
• Климат восточных побережий
• Тропический океанический климат

• Перу;
• Боливия;
• север Чили;
• Парагвай;
• Бразилия;
• основная часть Австралии,
• Большая пустыня;
• ЮАР;
• юг Африки;
• штаты Индии;
• В Азии — регионы Саудовской Аравии, Йемен и части Омана;
• Мексика;
• остров Куба.

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.

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.

Рациональное использование топливно-энергетических ресурсов представляет сегодня собой одну из глобальных мировых проблем, успешное решение которой, по-видимому, будет иметь определяющее значение не только для дальнейшего развития мирового сообщества, но и для сохранения среды его обитания. Одним из перспективных путей решения этой проблемы является применение новых энергосберегающих технологий , использующих нетрадиционные возобновляемые источники энергии (НВИЭ) Истощение запасов традиционного ископаемого топлива и экологические последствия его сжигания обусловили в последние десятилетия значительное повышение интереса к этим технологиям практически во всех развитых странах мира.

Виды систем использования низкопотенциальной тепловой энергии Земли

Грунтовые теплообменники связывают теплонасосное оборудование с грунтовым массивом. Кроме «извлечения» тепла Земли, грунтовые теплообменники могут использоваться и для накопления тепла (или холода) в грунтовом массиве.В общем случае можно выделить два вида систем использования низкопотенциальной тепловой энергии Земли :

• открытые системы: в качестве источника низкопотенциальной тепловой энергии используются грунтовые воды, подводимые непосредственно к тепловым насосам;
• замкнутые системы: теплообменники расположены в грунтовом массиве; при циркуляции по ним теплоносителя с пониженной относительно грунта температурой происходит «отбор» тепловой энергии от грунта и перенос ее к испарителю теплового насоса (или, при использовании теплоносителя с повышенной относительно грунта температурой, его охлаждение).

Основная часть открытых систем – скважины, позволяющие извлекать грунтовые воды из водоносных слоев грунта и возвращать воду обратно в те же водоносные слои. Обычно для этого устраиваются парные скважины. Схема такой системы приведена на рис. 3.

Рис. 3. Схема открытой системы использования низкопотенциальной тепловой энергии грунтовых вод Достоинством открытых систем является возможность получения большого количества тепловой энергии при относительно низких затратах. Однако скважины требуют обслуживания. Кроме этого, использование таких систем возможно не во всех местностях. Главные требования к грунту и грунтовым водам таковы:

• достаточная водопроницаемость грунта, позволяющая пополняться запасам воды;
• хороший химический состав грунтовых вод (например, низкое железосодержание), позволяющий избежать проблем, связанных с образованием отло- жение на стенках труб и коррозией.

Открытые системы чаще используются для тепло- или холодоснабжения крупных зданий. Самая большая в мире геотермальная теплонасосная система использует в качестве источника низкопотенциальной тепловой энергии грунтовые воды. Эта система расположена в США в г. Луисвилль (Louisville), штат Кентукки. Система используется для тепло- и холодоснабжения гостиничноофисного комплекса; ее мощность составляет примерно 10 МВт.Иногда к системам, использующим тепло Земли, относят и системы использования низкопотенциального тепла открытых водоемов, естественных и искусственных. Такой подход принят, в частности, в США. Системы, использующие низкопотенциальное тепло водоемов, относятся к открытым, как и системы, использующие низкопотенциальное тепло грунтовых вод.Замкнутые системы, в свою очередь, делятся на горизонтальные и вертикальные. Горизонтальный грунтовой теплообменник (в англоязычной литературе используются также термины «ground heat collector» и «horizontal loop») устраивает- ся, как правило, рядом с домом на небольшой глубине (но ниже уровня промерзания грунта в зимнее время). Использование горизонтальных грунтовых теплообменников ограничено размерами имеющейся площадки.В странах Западной и Центральной Европы горизонтальные грунтовые теплообменники обычно представляют собой отдельные трубы, положенные относительно плотно и соединенные между собой последовательно или параллельно (рис. 4а, 4б). Для экономии площади участка были разработаны усовершенствованные типы теплообменников, например, теплообменники в форме спирали, расположенной горизонтально или вертикально (рис 4д, 4е). Такая форма теплообменников распространена в США.

Рис. 4. Виды горизонтальных грунтовых теплообменников
а – теплообменник из последовательно соединенных труб;
б – теплообменник из параллельно соединенных труб;
в – горизонтальный коллектор, уложенный в траншее;
г – теплообменник в форме петли;
д – теплообменник в форме спирали, расположенной горизонтально (так называемый «slinky» коллектор;
е – теплообменник в форме спирали, расположенной вертикальноЕсли система с горизонтальными теплообменниками используется только для получения тепла, ее нормальное функционирование возможно только при условии достаточных теплопоступлений с поверхности земли за счет солнечной радиации. По этой причине поверхность выше теплообменников должна быть подвержена воздействию солнечных лучей.Вертикальные грунтовые теплообменники (в англоязычной литературе принято обозначение «BHE» – «borehole heat exchanger») позволяют использовать низкопотенциальную тепловую энергию грунтового массива, лежащего ниже «нейтральной зоны» (10–20 м от уровня земли). Системы с вертикальными грунтовыми теплообменниками не требуют участков большой площади и не зависят от интенсивности солнечной радиации, падающей на поверхность. Вертикальные грунтовые теплообменники эффективно работают практически во всех видах геологических сред, за исключением грунтов с низкой теплопро- водностью, например, сухого песка или сухого гравия. Системы с вертикальными грунтовыми теплообменниками получили очень широкое распространение.Схема отопления и горячего водоснабжения одноквартирного жилого дома посредством теплонасосной установки с вертикальным грунтовым теплообменником приведена на рис. 5.

Рис. 5. Схема отопления и горячего водоснабжения одноквартирного жилого дома посредством теплонасосной установки с вертикальным грунтовым теплообменникомТеплоноситель циркулирует по трубам (чаще всего полиэтиленовым или полипропиленовым), уложенным в вертикальных скважинах глубиной от 50 до 200 м. Обычно используется два типа вертикальных грунтовых теплообменников (рис. 6):

• U-образный теплообменник, представляющие собой две параллельные трубы, соединенные в нижней части. В одной скважине располагаются одна или две (реже три) пары таких труб. Преимуществом такой схемы является относительно низкая стоимость изготовления. Двойные U-образные теплообменники – наиболее широко используемый в Европе тип вертикальных грунтовых теплообменников.
• Коаксиальный (концентрический) теплообменник. Простейший коаксиальный теплообменник представляет собой две трубы различного диаметра. Труба меньшего диаметра располагается внутри другой трубы. Коаксиальные теплообменники могут быть и более сложных конфигураций.

Рис. 6. Сечение различных типов вертикальных грунтовых теплообменников Для увеличения эффективности теплообменников пространство между стенками скважины и трубами заполняется специальными теплопроводящими материалами.Системы с вертикальными грунтовыми теплообменниками могут использоваться для тепло- и холодоснабжения зданий различных размеров. Для небольшого здания достаточно одного теплообменника; для больших зданий может потребоваться устройство целой группы скважин с вертикальными теплообменниками. Самое большое в мире число скважин используется в системе тнепло- и холодоснабжения «Richard Stockton College» в США в штате Нью-Джерси. Вертикальные грунтовые теплообменники этого колледжа располагают- ся в 400 скважинах глубиной 130 м. В Европе наибольшее число скважин (154 скважины глубиной 70 м) используются в системе тепло- и холодоснабжения центрального офиса Германской службы управления воздушным движением («Deutsche Flug-sicherung»).Частным случаем вертикальных замкнутых систем является использование в качестве грунтовых теплообменников строительных конструкций, например фундаментных свай с замоноличенными трубопроводами. Сечение такой сваи с тремя контурами грунтового теплообменника приведено на рис. 7.

Рис. 7. Схема грунтовых теплообменников, замоноличенных в фундаментные сваи здания и поперечное сечение такой сваиГрунтовой массив (в случае вертикальных грунтовых теплообменников) и строительные конструкции с грунтовыми теплообменниками могут использоваться не только как источник, но и как естественный аккумулятор тепловой энергии или «холода», например тепла солнечной радиации.Существуют системы , которые нельзя однозначно отнести к открытым или замкнутым. Например, одна и та же глубокая (глубиной от 100 до 450 м) скважина, заполненная водой, может быть как эксплуатационной, так и нагнетательной. Диаметр скважины обычно составляет 15 см. В нижнюю часть скважины помещается насос, посредством которого вода из скважины подается к испарителям теплового насоса. Обратная вода возвращается в верхнюю часть водяного столба в ту же скважину. Происходит постоянная подпитка скважины грунтовыми водами, и открытая система работает подобно замкнутой. Системы такого типа в англоязычной литературе носят название «standing column well system» (рис. 8).

Рис. 8. Схема скважины типа «standing column well» Обычно скважины такого типа используются и для снабжения здания питьевой водой . Однако такая система может работать эффективно только в почвах, которые обеспечивают постоянную подпитку скважины водой, что предотвращает ее замерзание. Если водоносный горизонт залегает слишком глубоко, для нормального функционирования системы потребуется мощный насос, требующий повышенных затрат энергии. Большая глубина скважины обуславливает достаточно высокую стоимость подобных систем, поэтому они не используются для тепло- и холодоснабжения небольших зданий. Сейчас в мире функционирует несколько таких систем в США, Германии и Европе.Одно из перспективных направлений – использование в качестве источника низкопотенциальной тепловой энергии воды из шахт и туннелей. Температура этой воды постоянна в течение всего года. Вода из шахт и туннелей легко доступна.

• в Ташкенте средняя температура летом на глубине 40 см +31, 80 см +29, 160 см +25 градусов; зимой, соответственно, +2, +4,5, +9 (средняя температура воздуха в июле +28, в январе +2 градуса);
• в Екатеринбурге температура уже совсем другая: летом +19, +16, +13; зимой -11,5, -9, -4 (воздуха: +19 и -16 градусов).

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:

• в Ташкенте средняя температура летом на глубине 40 см +31, 80 см +29, 160 см +25 градусов; зимой, соответственно, +2, +4,5, +9 (средняя температура воздуха в июле +28, в январе +2 градуса);
• в Екатеринбурге температура уже совсем другая: летом +19, +16, +13; зимой -11,5, -9, -4 (воздуха: +19 и -16 градусов).

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.