Устройство и бурение скважины для теплового насоса

Энергоэффективность геотермального насоса, работающего по принципу земля-вода, зависит от правильного расположения, глубины, диаметра скважин для укладки первичного контура. Предварительно проводятся расчеты, помогающие установить глубину залегания зондов и их расположение.

Выполненная с соблюдением рекомендаций производителя и строительных норм, скважина для теплового насоса обеспечит достаточным количеством энергии, чтобы прогреть частный дом и удовлетворить потребности в ГВС.

Устройство и принцип работы скважины теплонасоса

Автономное независимое отопление дома от скважины с тепловым насосом состоит из двух контуров:

• • Первичный контур расположен под землей на глубине не менее 1,5 м или на дне водоема. Благодаря зонду происходит отбор тепла из грунта и передача его в теплообменник насоса. По трубам циркулирует пропиленгликоль или как его часто называют – рассол. По мере продвижения жидкость разогревается до 6-8°С, что более чем достаточно для обеспечения теплонасоса необходимым количеством низко потенциальной тепловой энергией.

• Второй контур располагается в геотермальном насосе. По трубам циркулирует фреон и посредством преобразования из жидкости в газ отбирает тепло у первичного контура. О том, как работает геотермальный тепловой насос, описывается здесь.

Существует несколько типов первичного контура, отличающихся технологией бурения геотермальных скважин для тепловых насосов. Наиболее подходящий вид скважины определяется в зависимости от мощности тепловой станции и фактических ожидаемых затратах энергии зданием.

Проведение работ по бурению скважин под геотермальный тепловой насос начинается с составления проектной документации и проведения геодезического аудита на участке.

Виды скважин для подключения теплонасоса

Существует три основных типа решений, используемых для укладки геотермального первичного контура. Способы бурения скважин рассчитывают исходя из нескольких параметров:

1. Способа укладки трубопровода.

Работы выполняют следующим образом:

Горизонтальное направленное бурение – для укладки трубопровода понадобится не менее 200 м² площади придомовой территории. Перед выполнением направленного бурения снимают верхнюю часть грунта ниже точки промерзания на 30-50 см. Глубина, как показывает практика, в зависимости от региона составит от 1,3 до 2 м.
Данный способ монтажа является наиболее простым, но трудоемким процессом. В качестве минусов можно выделить относительно низкую теплоэффективность решения.



Вертикальное бурение – ниже, приблизительно 20 метров над уровнем грунта температура увеличивается до 10-18°С, в зависимости от региона. Бурение вертикальной скважины под тепловой насос позволяет добраться до грунтовых слоев с лучшими показателями теплоотдачи, и, следовательно, увеличить эффективность обогрева дома.
Каждая скважина дает больше тепла чем при горизонтальной укладке контура. Соответственно, требуется меньше земляных работ, уменьшается стоимость бурения. В целом, за подключение придется заплатить приблизительно на 10-15% меньше.



Наклонное кластерное бурение – используется, если возможности установки вертикальных зондов ограничены площадью участка. Бурение скважин под углом осуществляется следующим образом. Сначала выкапывают один общий колодец. Так как для конструкции требуется всего 4 м², бурить можно даже в подвале своего дома. Колодец углубляют до 4 м, устанавливают в нем специальное оборудование. Дальше выполняется бурение скважин под углом или «кустом». Работы выполняются с помощью специальной техники.
Технология бурения для наружного контура «кустом» была разработана в Европе, где пользуется огромной популярностью. В нашей стране данная методика только начинает внедряться, поэтому еще не нашла широкого применения.



Какое количество скважин нужно для работы теплового насоса

Необходимое количество скважин высчитывают исходя из типа грунта и производительности оборудования. Большую теплоотдачу обеспечивает земельный участок с неглубоким прохождением подземных вод, наименьший процент тепла можно получить из песка.

Расчет скважины теплонасоса выполняется в согласии со следующими параметрами:

• • Песок и сухие отложения – даст всего 25-30 Вт на каждый погонный метр уложенного контура.
• • Водонасыщенный грунт – теплоотдача будет на уровне 60 Вт, на п.м. трубы.
• • Камень – гранит, известняк, базальт, имеют самые высокие показатели теплоотдачи, варьирующиеся от 65 до 85 Вт.
• Обычный грунт – по этим параметрам высчитывают среднее значение, равное 50 Вт на 1 п.м.

Глубина скважины для теплонасоса рассчитывается следующим образом:

• • В значение принимают средние параметры или показатели теплоотдачи 50 Вт на 1 п.м.
• • Высчитывают общую производительность теплового насоса. Для частного дома на 200 м² рекомендуется установить теплонасос с производительностью не менее 14 кВт.
• • Высчитывают общую протяженность контура. 14 кВт равны 14000 Вт. Соответственно, водяной контур имеет протяженность 280 м.
• Подсчитывают общее количество колодцев. Средняя глубина, принимаемая в расчет равняется 30 м. Для дома на 200 м², потребуется пробурить 10 скважин.

Если планируется уложить горизонтальный трубопровод, расчеты проводят несколько другим способом:

• • Учитывается зависимость количества тепла от количества труб в скважине. Оптимальным решением является уложение контура с шагом 1-1,5 м.
• • Получается, что 1 м² придомовой территории равен 1- 1,5 м. п. земляного коллектора.
• • Теплоотдача грунта, при горизонтальной укладке: водонасыщенный песок и щебень 40 Вт, обычная почва 20-30 Вт.
• Длина водяного коллектора будет 460 п.м.

Срок службы скважины под теплонасос

Производя расчет стоимости бурения необходимо учитывать, что минимальное время эксплуатации геотермального первичного зонда составляет не менее 50 лет. На время службы влияет то, какая труба используется для изготовления коллектора.

Расчетный срок эксплуатации нержавеющего металла составляет 70 лет, полимер прослужит 50-60 лет. В первый год укладки коллектора возможно проседание, требующее дополнительной корректировки и исправлений. В остальное время первичный контур будет работать с полной теплоотдачей и эффективностью.

Первоначальные затраты, отпугивающие потенциального покупателя, на самом деле полностью окупятся благодаря длительному сроку эксплуатации как самого насоса, так и геотермального контура.

Бурение скважин для системы тепловых насосов

Устройство скважины лучше доверить профессиональной монтажной организации. Оптимально, чтобы этим занимались представители компании, продающей теплонасос. Так, можно учесть все нюансы бурения и расположения зондов от строения, выполнить другие требования.

Специализированная организация поспособствует получению разрешения на бурение скважины под зонды для грунтового теплового насоса. Согласно законодательству, использование грунтовых вод в хозяйственных целях запрещено. Речь идет об использовании в любых целях вод, расположенных ниже первого водоносного горизонта.

Как правило, процедура бурения вертикальных систем должна быть согласована с органами государственной администрации. Отсутствие разрешений ведет к штрафным санкциям.

После получения всех необходимых документов начинаются монтажные работы, согласно следующему порядку:

• • Определяются точки бурения и расположения зондов на участке, учитывая расстояние от строения, особенности ландшафта, наличие подземных вод и т.д. Выдерживают минимальный разрыв между колодцами и домом не менее 3 м.
• Завозится оборудование для бурения, а также техника, необходимая для выполнения ландшафтных работ. Для вертикальной и горизонтальной установки требуется буровой и отбойный молоток. Для сверления грунта под углом используются буровые установки с веерным контуром. Наибольшее применение получила модель, работающая на гусеничном ходу. В полученные скважины укладывают зонды и заполняют зазоры специальными растворами.



Какая глубина скважины должна быть

Глубина рассчитывается исходя из нескольких факторов:

• • Зависимость КПД от глубины скважины – существует такое понятие, как ежегодное снижение теплоотдачи. Если колодец имеет большую глубину, а в некоторых случаях требуется сделать канал до 150 м, каждый год будет происходить уменьшение показателей получаемого тепла, со временем процесс стабилизируется.
    Сделать скважину максимальной глубины не самое лучшее решение. Обычно делают несколько вертикальных каналов, удаленных друг от друга. Расстояние между скважинами 1-1,5 м.
• Расчет глубины бурения скважины под зонды выполняется с учетом следующего: общая площадь придомовой территории, наличие грунтовых вод и артезианских скважин, общая отапливаемая площадь. Так, к примеру, глубина бурения скважин с высокими грунтовыми водами резко сокращается, по сравнению с изготовлением колодцев в песчаной почве.

Создание геотермальных скважин – сложный технический процесс. Все работы, начиная с проектной документации и заканчивая введением теплового насоса в эксплуатацию должны выполнять исключительно специалисты.

Чтобы подсчитать приблизительную стоимость работ используют он-лайн калькуляторы. Программы помогают высчитать объем воды в скважине (влияет на количество необходимого пропиленгликоля) ее глубину и выполнить остальные расчеты.

Чем заполнить скважину

Выбор материалов зачастую полностью ложится на самих хозяев. Подрядная организация может советовать обратить внимание на тип трубы и рекомендовать состав для заполнения скважины, но окончательное решение придется принимать самостоятельно. Какие есть варианты?

• • Трубы, применяемые для скважин – используют пластиковые и металлические контуры. Как показала практика, второй вариант является более приемлемым. Срок эксплуатации металлической трубы не менее 50-70 лет, стенки металла имеют хорошую теплопроводность, что увеличивает эффективность коллектора. Пластик проще монтировать, поэтому строительные организации зачастую предлагают именно его.
• Материал для заполнения зазоров между трубой и грунтом. Тампонирование скважины является обязательным правилом к выполнению. Если не заполнить пространство между трубой и грунтом, со временем происходит усадка, способная повредить целостность контура. Зазоры заполняют любым строительным материалом с хорошей теплопроводимостью и эластичностью, типа Бетонит.
  Заполнение скважины для теплонасоса не должно препятствовать нормальной циркуляции тепла от грунта к коллектору. Работы выполняют медленно, чтобы не оставить пустот.



Что лучше для теплового насоса – земляной коллектор или скважина

Технические характеристики скважины выглядят привлекательней, но проведение работ по бурению грунта невозможно выполнить без специализированного оборудования и техники. Горизонтальный коллектор можно уложить самостоятельно, но забор тепла от земли будет меньше практически в 2 раза.

Применение скважины оправдано еще по той причине, что это не отражается на ландшафтном дизайне. Так, сверху горизонтального контура запрещается сажать деревья с глубокой корневой системой, к вертикальному коллектору подобные требования не предъявляются.

Устройство геотермальной скважины ТН, выполненной с наклонным направлением, вариант практически не имеющий недостатков и лишен всех минусов, присущих остальным вариантам. Размещается всего на 4 м² и обеспечивает максимальную теплоотдачу.

Затраты на бурение окупаются уже через 3-8 лет. Вариант со скважинами полностью оправдан и эффективен, несмотря на то, что потребуются первоначальные вложения средств.



Тепловой насос это отопительный прибор, для работы которого требуется источник тепла. Таким источником для геотермального теплового насоса является грунт вокруг дома или строения, именно поэтому он называется «геотермальным» (в переводе с греческого «гео» означает земля). Тепловой насос использует массив грунта как большой теплоаккумулятор «перекачивая» тепло из источника преобразуя довольно низкую температуру (в грунте, ниже 1.6 метра постоянно около +8 градусов) в более высокую, подходящую для нагрева системы отопления. Принцип работы теплового насоса.

Геотермальный контур представляет собой несколько петель из пластиковой трубы уложенные в грунте ниже глубины промерзания. Кратко работа геотермального контура выглядит следующим образом:

Тепловой насос охлаждает незамерзающий теплоноситель до -2 градусов и направляет его в петли из трубы уложенные в грунте (наподобие тёплого пола, только в земле). Теплоноситель протекая по трубам подогревается от грунта и возвращается в тепловой насос подогретый до +2 градусов. Таким образом вокруг трубы геотермального контура происходит охлаждение грунта на несколько градусов, что приводит к «перетоку» тепла от тёплого грунта, к самой трубе и далее к теплоносителю.

Существует несколько способов уложить трубу в грунт, но сделать это аккуратно и с минимальными разрушениями на участке возможно только с технологией наклонно-кластерного бурения скважин Мы используем ТОЛЬКО такую технологию.

Ниже краткое описание преимуществ и недостатков несколько видов геотермальных контуров.

Горизонтальный геотермальный контур.

На участке выкапывают траншеи на расстоянии 1 метра друг от друга. В траншеи укладывают пластиковые трубы и засыпают (похоже на «тёплый пол», только уложенный в грунте).

Преимущества такого метода — небольшие сроки проведения работ и относительно невысоки затраты.

К недостаткам можно отнести следующее:

• объём грунта для получения тепла ограничен сверху, поэтому площадь занимаемая горизонтальным геотермальным контуром должна быть большая. Для теплового насоса мощностью 10 кВт понадобиться перекопать от 3 до 5 соток участка
• ландшафту участка наноситься сильный ущерб. Глубина траншей для укладки трубы не менее 1.6 метра и «просаживаться» такие траншеи будут от 3-х до 5 лет
• деревья над трубами геотермального контура сажать нежелательно, дорожки укладывать пока грунт не сядет — тоже.
• большие по площади строения над трубами геотермального контура будут мешать регенерации контура в летний период, грунт может не успеть за летний период восстановить свою температуру
• проседание траншей которое потребует подсыпать грунт в провалы и возможно даже ремонтировать просевшие дорожки дорожки.

На первой фотографии с просторов Интернета видно как производится укладка горизонтального геотермального контура, а на второй ремонт просевшей дорожки в том месте, где проходит траншея.



Метод с горизонтальным геотермальным контуром подходит в том случае, если есть «лишний» участок земли на котором благоустройство не будет вестись ближайшие 5 лет и строений на нём не предусматривается.

Вертикальный геотермальный контур.

Более компактный метод устройства геотермального контура, позволяет разместиться на небольшой территории. Для этого бурят вертикальные скважины и опускают в них геотермальные зонды (геотермальный зонд — та же петля из трубы, но занимающая меньше места). Для того, чтобы охватить геотермальными зондами большой объём грунта нужно пробурить несколько скважин. Например, для теплового насоса мощностью 10 кВт необходимо 250 метров зондов. Пробурить одну скважину глубиной 250 метров будет очень проблематично, поэтому бурят несколько, но менее глубоких, например 10 шт по 25 метров. Для вовлечения большого объёма грунта в процесс переноса тепла расстояние между такими вертикальными скважинами должно быть не менее 5 метров. После бурения и опускания в скважины геотермальных зондов копают траншеи соединяя скважины между собой. Такие траншеи нужны для подвода труб от геотермальных зондов до сборного коллектора с кранами на каждую трубу и для 10 скважин с расстоянием между ними 5 метров потребуется выкопать 50 метров траншей.

На первой фотографии видна общая траншея соединяющая скважины между собой. Трубы с синими заглушками — геотермальные зонды опущенные в вертикальные скважины. На второй расположение зондов и траншей на участке. Фото не наши, взяты с просторов Интернета, но общее расположение видно.



В итоге — значительно меньшие разрушений на участке, но «перекапывать» участок всё же придётся, так как нужно сводить в коллектор концы труб от геотермальных зондов. На облагороженном участке бывает затруднительно копать траншеи, могут мешать деревья и дорожки, а так же как и с горизонтальным контуром траншеи будут просаживаться в течение 3-5 лет и требовать подсыпки и выравнивания.

Наклонно — кластерный геотермальный контур.

Такой вид геотермального контура пришёл на смену вертикальному бурению именно из-за аккуратности выполнения работ и после появления специализированных буровых установок. Обозначение «наклонный» говорит о бурении наклонной скважины (например, под углом 45 градусов к горизонту), а кластерный означает «имеющий общее начало». Для выполнения работ по такой технологии в грунт закапывают бетонное кольцо диаметром 1.5 метра и на нём монтируют компактную буровую установку. Далее, внутри бетонного кольца бурят наклонную скважину и опускают в неё геотермальный зонд. После окончания бурения первой скважины буровую установку поворачивают вокруг вертикальной оси на кольце и бурят следующую скважину и так далее, до достижения необходимого общего метража зондов.

В итоге — все концы геотермальных зондов уже сразу находятся в кольце и копать траншеи соединяющие зонды не нужно. В этом же кольце собирают сборный коллектор с кранами для каждого зонда, а затем закрывают стандартной бетонной крышкой с полимербетонным люком. На поверхности останется только люк. Обычно располагают такой колодец не далее 5 метров от дома (минимальное расстояние от края кольца до дома 2 метра) и траншея для теплотрассы от коллектора до ввода в помещение котельной тоже 5 метров.

Начиная с 2010 года компания EnergyLEX разрабатывает специализированные буровые установки для геотермального бурения. Для того, чтобы воплотить в жизнь технологию позволяющую производить буровые работы аккуратно и не разрушая участок пришлось прилично постараться и на сегодняшний день итогом этих стараний стало получение международного патента на изобретение технологии «Способ установки геотермальных теплообменников для извлечения низкопотенциального тепла» описание патента.



Модульная и компактная буровая установка занимает мало места.



После окончания работ на поверхности остался только зелёный люк.

Классификация геотермальных зондов, виды монтажа и «замораживание» грунта.

U-образный «классический» зонд.

Геотермальный зонд представляет собой компактный вариант петли из трубы для удобства опускания в скважину. По своей сути зонд является теплообменником передающим тепло из грунта через стенку трубы теплоносителю циркулирующему в зонде. При всей кажущейся простоте исполнения (вроде ничего сложного, одна труба вниз, вторая вверх) существует масса отличий как в конструкции зонда, так и в материалах для его изготовления.

Классическим вариантом считается U-образный зонд состоящий из двух пластиковых труб и наконечника для соединения этих труб внизу зонда.



Конструкция логически понятная, а наконечник нужен для более плотного расположения двух основных труб в скважине. Не секрет, что чем больше диаметр бурения скважины, тем больше расходуется ресурсов для бурения и тем выше стоимость бурения. Поэтому плотное расположение труб нужно для уменьшения диаметра бурения. Однако, при определённых режимах работы именно плотное расположение этих труб в «классическом» зонде негативно сказывается на способности передавать тепло и ухудшает работу зонда.

Рассмотрим ситуацию. Вертикальная скважина, в неё опущен U-образный зонд, пространство между трубами зонда и стенками скважины заполнено теплопроводящим раствором (произведён тампонаж межтрубного пространства). В одну из труб зонда из теплообменника теплового насоса подаётся охлаждённый теплоноситель с температурой -2 градуса, протекая по трубе охлаждает стенку трубы и соответственно грунт вокруг этой трубы. Грунт находящийся в плотном контакте с трубой охлаждается, но при этом и подогревает теплоноситель — происходит обмен тепловой энергией. На выходе из геотермального зонда теплоноситель будет уже подогрет до +2 градусов. Но что будет если сильно увеличить нагрузку на геотермальный зонд, например подавать теплоноситель температурой -4 градуса или прокачивать больше теплоносителя? Произойдёт понижение температуры теплоносителя на выходе из зонда. Тогда температура подачи в зонд будет -4 градуса, а температура выходящего теплоносителя -2 градуса, то есть зонд будет работать с отрицательными температурами. Для работы теплового насоса это совершенно нормальные температуры, а вот с работой U- образного зонда произойдут некоторые изменения.

Грунт обжимающий зонд имеет неоднородную структуру состоящую из разного вида глин, песков, минералов и прочего (может даже гранит), а так же воды. Теплопроводность средних по составу глин составляет около 2 Вт/мК. При работе зонда в отрицательных температурах поверхность труб будет тоже иметь температуру ниже нуля градусов и вода входящая в состав грунта начнёт намерзать на трубе образуя лёд. Теплопроводность льда 2.34 Вт/мК, что немного больше, чем у среднестатистической глины. Если до этого между двумя трубами был небольшой теплообмен (порядка 30%), то после образования льда между трубами U-образного зонда увеличивается «паразитный» теплообмен между трубами зонда и несколько ухудшаются его характеристики как теплообменника. Частичным решением этой ситуации является установка пластиковых распорок между трубами зонда при его монтаже в скважину для «разведение» труб на максимально возможное в расстояние в скважине.

Коаксиальный зонд.

Ещё одно название коаксиального зонда — «труба в трубе». Данный вид зонда тоже состоит из пластиковых труб, но конструктивно отличается от U-образного. Состоит из внешней трубы большого диаметра и внутренней трубы меньшего диаметра, при этом нижняя часть большой трубы имеет заглушку. Подача холодного теплоносителя производиться в тонкую внутреннюю утеплённую трубу. Теплоноситель протекает по внутренней трубе до нижней части зонда, далее на выходе и тонкой трубы разворачивается и начинает подниматься между внутренней трубой зонда и внешней. К колодцу с зондами теплоноситель приходит максимально подогретым.



Преимуществами использования такого вида зонда является снижение диаметра бурения скважины, меньший объём буровых работ и выноса выбуренной породы, а так же конструктивно заданный «паразитный» теплообмен между подающей трубой и обратной. Внутренняя труба коаксиального зонда обычно имеет бОльшую толщину стенки чем наружная или изготавливается из материала с заранее низкой теплопроводностью. В качестве теплоносителя используются незамерзающие жидкости с точкой кристаллизации -18 градусов, поэтому при работе такого вида зонда с отрицательными температурами не происходит увеличения «паразитного» теплообмена между входящим теплоносителем в зонд и выходящим.

Есть ещё одна особенность при работе коаксиальных зондов именно из-за которой мы их и применяем при технологии наклонно-кластерного бурения. Об этой особенности будет ниже.

Виды монтажа геотермальных зондов и мифы про «замораживание» грунта.

Геотермальный зонд это теплообменник основной задачей которого является передавать тепло от грунта теплоносителю внутри зонда, а так как зонд опускается в скважину, то разные виды монтажа в большей степени относятся к виду скважин в которые этот зонд и опускают. Вообщем-то вариантов направления скважин не так-то уж и много: вертикальные, горизонтальные, наклонные. Часть из них уже были рассмотрены выше. Больший интерес представляет расположение начала скважины или «устье скважины». При использовании вертикальных скважин трубы зонда должны продлеваться до сборного коллектора к запорными кранами и регуляторами потока. Вертикальные скважины находятся на разном удалении от коллектора, длина магистралей будет разная и гидравлические потери в магистралях — тоже разные, использование регуляторов потока необходимое условия для обеспечения равномерного расхода теплоносителя через каждый зонд. Так же большое скопление труб с отрицательными температурами в одном месте требует обязательного утепления места подхода к коллектору.

Горизонтальные скважины используются редко в связи с дороговизной горизонтально-направленного бурения и малой эффективностью самих зондов. Такая технология существует, но обоснованна к использованию только при наличии сильно обводнённого песка на глубинах 5-8 метров.

Наклонные скважины в бурении сложнее строго вертикальных, но позволяют проходить водонасыщенные слои под углом, что увеличивает протяжённость зонда в породах с большой отдачей тепла. При бурении наклонных скважин из одной точки не требуется копать траншеи для соединения в коллектор — скважины изначально расположены в колодце.

Технология наклонно-кластерного бурения и два вида зондов.

Мы применяем ТОЛЬКО коаксиальные зонды зонды при наклонно-кластерном бурении из одного колодца!

Только с такими зондами зона вокруг колодца не замораживается и нет никаких проблем с ростом травы и деревьев. Мы это подтверждаем 9-ти летней практикой.

Использование U-образных зондов совместно с технологией наклонно-кластерного бурения приведёт к вымораживанию зоны вокруг колодца на расстоянии до нескольких метров от колодца!

Связанно это с близким расположением подающих холодных труб в колодце. На рис.№1 синими стрелочками показаны холодные трубы выходящие из колодца. Расстояние между ними в колодце 15-20 см. Такого недостатка лишён коаксиальный зонд, он конструктивно работает иначе. На рис.№2 синими стрелочками показаны внутренние утеплённые трубы зонда, а красными наружная труба зонда приходящая в колодец.

Подача холодного теплоносителя производится во внутреннюю утеплённую трубу зонда, в которой теплоноситель с низкой температурой течёт до самого низа зонда и только потом, изменив направление потока, начинает подниматься вверх охлаждая грунт. Самая холодная часть у коаксиального зонда это нижняя часть на глубине 25-35 метров, но при этом вокруг этой части зонда находиться самый большой объём грунта готовый передать тепло. Теплоноситель поднимаясь по коаксиальному зонду вверх подогревается через стенку внешней трубы и на подходе к колодцу имеет максимально тёплую температуру, поэтому зона вокруг колодца не вымораживается.



Рисунок №1 Рисунок №2

Ещё одной интересной особенностью применения наклонного зонда является его бОльшая протяжённость в водонасыщенных слоях с большим количеством тепла, по сравнению с вертикальным.

На рисунке №3 видно, что вертикальный зонд проходя по водонасыщенному слою имеет протяжённость 3 метра, в то время как наклонный зонд 5 метров.