Тепловые насосы - оборудование, позволяющее использовать энергию альтернативных источников для отопления частного дома. Для работы теплонасосов используется три контура:
-
внешний, размещаемый на глубине в грунте;
-
контур теплонасоса;
-
контур системы домашнего отопления.
Один из вариантов размещения внешнего теплообменника - его монтаж в геотермальные скважины. Они представляют собой прокол в грунте глубиной несколько десятков метров, позволяющий устанавливать теплообменник для поглощения тепла земли. Их правильная подготовка - залог надежной работы системы отопления и эффективного поглощения геотермальной энергии.
Выполнить буровые работы вручную невозможно - ни один ручной инструмент не сможет сделать достаточно глубокую и аккуратную скважину. Поэтому, часто весь комплекс нужной работы доверяют монтажным организациям или специалистам компаний, у которых можно купить тепловые насосы - часто они предлагают эту услугу под ключ.
При этом, владельцу дома тоже важно знать и понимать, из каких этапов состоит этот процесс и что надо для его реализации.
Разведка грунта
Перед началом буровых работ обязательно проводится разведка грунта. Для этого в земле делается “прокол” небольшого диаметра глубиной до 100 метров. Он позволяет оценить:
-
состав грунта;
-
глубину залегания грунтовых вод.
Используя эти данные, можно оценить теплоотдачу грунта. Например, в песке теплоноситель, циркулирующий по уложенному контуру, может поглотить всего до 20 Вт тепла, а в известняке - до 85 Вт. Кроме того, теплоемкость грунта зависит от климатических условий региона. Например, грунт на участке в Санкт-Петербурге содержит меньше низкопотенциального тепла, чем московский грунт.
В предварительных расчетах принимается усредненнное соотношение - 50 Вт тепла/1 м.п. теплообменника.
Также разведка грунта позволяет узнать, какая максимальная глубина скважины возможна. На некоторых участках можно сделать скважину глубиной до 150 метров, в то время, как на других глубина до 50-60 метров может быть максимальной.
Основные виды буровых работ
Геотермальные скважины для установки теплообменного контура теплонасосов могут выполнять несколькими способами. В зависимости от условий, для этого используются технологии вертикального или наклонного кластерного бурения.
Вертикальное бурение
Вертикальное бурение подразумевает создание глубоких сооружений (от 40 до 200 метров), что позволяет размещать внешние теплообменники тепловых насосов в слоях грунта с высокой теплоотдачей.
При разработке нескольких вертикальных скважин расстояние между ними должно быть не меньше 2-3 метров. Это гарантирует защиту от обрушения, совместной усадки и паразитного теплообмена.
Наклонное кластерное бурение
Этот способ буровых работ применяется, когда на участке нет места для размещения сетки вертикальных зондов. Последовательность работ следующая:
-
сначала выкапывается колодец глубиной до 4 метров, размером 2х2 метра;
-
в основании колодца устанавливается спецоборудование;
-
затем проводится бурение под углом от 30 до 90 градусов.
Эта технология позволяет компактно разместить нужное количество скважин (до 10) даже на маленьком участке. При этом, их направление друг от друга исключает любой паразитный теплообмен.
Расчет количества
Нужное количество геотермальных скважин зависит от нужной длины теплообменного контура. При этом учитывается, что 1 метр теплообменника может поглотить до 50 Вт тепла (усредненное значение). То есть, на эффективное отопление дома площадью 200 квадратных метров нужен контур длиной 400 метров.
Для размещения такого контура можно использовать, например, 4 скважины глубиной по 100 метров, 5 глубиной по 80 метров, или 8 глубиной по 50 метров.
Определение диаметра
Традиционно для создания геотермальных скважин используют буры диаметром 150 мм. Такого сечения достаточно для размещения двух труб диаметром до 40 мм и создания пространства между ними для защиты от паразитного теплообмена.
Нужное оборудование
Процесс бурения геотермальных скважин принципиально не отличается от бурения скважин на воду.
Поэтому буровые работы проводятся таким же способом и оборудованием, что и при классическом роторном бурении.
Для проведения буровых работ могут использоваться:
-
мощные установки, предназначенные для бурения на воду;
-
малогабаритные установки высокой мощности;
-
установки с веерным контуром для кластерного бурения под любым нужным углом.
Время, нужное для бурения одной скважины, зависит от нескольких критериев. В том числе:
-
нужной глубины;
-
состава грунта;
-
мощности примененной буровой установки.
На одну скважину может уходить от 1 до 3 дней.
Типы геотермальных зондов
После того, как скважины будут готовы, в них устанавливаются геозонды - вертикальные теплообменники тепловых насосов. Они могут быть двух типов:
-
U-образный геозонд. Теплообменник, сформированный из двух прямолинейных участков пластиковой трубы, соединенных с помощью U-образного наконечника. Эта конструкция создает замкнутый контур, по которому свободно циркулирует теплоноситель.
-
Коаксиальный геозонд. Конструкция из двух труб разного диаметра. При этом, большая глушится снизу, а меньшая вставляется в нее. Охлажденный теплоноситель, идущий из дома, подается по трубе меньшего диаметра и, доходя до дна скважины, двигается в обратном направлении в полости между двух труб (образованной разницей диаметров).
Кроме того, есть зонды прямого действия. Они изготавливаются из меди и в качестве теплоносителя используют фреон или другой хладагент. Фактически такие геозонды - часть конструкции теплового насоса и тепловую энергию получают напрямую.
При этом, цена таких конструкций выше аналогов, они менее надежны (из-за высокого риска повреждения медных трубок), а монтаж и обслуживание усложнено, поэтому используются они крайне редко.
Тампонирование скважины
Заключительный этап подготовки скважин - тампонирование, то есть заполнение всех имеющихся пустот. Делается это для того, чтобы во время работы теплообменник не был поврежден, не появлялись паразитные теплопотери и теплоноситель контура мог поглотить максимум тепловой энергии.
Для тампонирования могут использоваться строительные материалы, грунт и глинистые смеси (в зависимости от условий). Предпочтительный вариант из них - стройматериалы с высокой теплопроводимостью.
Для заполнения пустот используется спецтехника, которая подает тампонаж дозированно - это помогает исключить появление пустот.
Обустройство территории
После того, как вертикальный зонд будет установлен и будет проведено тампонирование, можно приступать к облагораживанию территории.
При этом надо знать несколько правил:
-
Со временем может произойти усадка грунта и/или тампонажа - это нормально. В таком случае достаточно засыпать появившуюся полость грунтом.
-
Участок, на котором расположены скважины и проложены трубы теплообменного контура нельзя засаживать и застраивать.
Срок службы геотермальной скважины, подключенной к тепловому насосу, зависит от материала используемой трубы. Так, при использовании трубопровода из нержавеющей стали скважина будет эффективной до 70 лет. При установке теплообменника из ПВХ-труб срок эффективной службы составит до 50-60 лет.
При этом, чаще устанавливаются теплообменники из пластиковых труб - их проще купить и устанавливать. Кроме того, они не подвержены коррозии.
Благодаря такой долговечности, начальные затраты на бурение гарантированно окупаются.
Важные особенности
-
Для проведения буровых работ могут потребоваться разрешения и планы от специальных организаций. Этот вопрос нужно согласовать перед началом работ.
-
При использовании нескольких скважин они должны соединяться между собой траншеями глубиной не меньше 1.5 метра.
-
Минимальное расстояние от дома до ближайшей скважины - 3 метра. Максимальное расстояние от дома - 100 метров.
-
После нескольких месяцев использования теплоотдача скважины может уменьшиться. Это связано сразу с несколькими процессами, но потом показатель теплоотдачи стабилизируется.
Создание геотермальных скважин - трудоемкий процесс, подразумевающий выполнение целого ряда этапов. К каждому из них нужно подойти ответственно и основательно. Если все сделать правильно - скважина прослужит долго и станет надежным источником тепловой энергии, нужной для отопления дома и других строений.