Что такое геотермальная скважина

Внешний теплообменник, отвечающий за поглощение тепла, может быть собран в виде:

• горизонтального коллектора;
• вертикального зонда.

Горизонтальный коллектор укладывается горизонтально в предварительно вырытых траншеях или котлованах. А для установки вертикального зонда нужны геотермальные скважины. 

Что такое геотермальная скважина?

Геотермальная скважина (geothermal well) - прокол в грунте, используемый для установки внешнего теплообменного контура теплового насоса. Скважины позволяют теплоносителям теплообменников поглощать низкопотенциальную энергию грунта и грунтовых вод. 

Параметры геотермальных скважин

Основные параметры геотермальных скважин: 

• глубина;
• диаметр;
• количество.

Глубина определяется, исходя из нужной мощности теплонасоса. Так, 1 метр теплообменного контура в среднем может поглотить до 50 Вт тепловой энергии. То есть для отопления дома площадью 150 квадратных метров длина теплообменника должна быть не меньше 300 метров.  Диаметр скважины зависит от диаметра погружаемой трубы, а также способа ее установки.  Нужное количество скважин определяется на этапе бурения. Так, если состав грунта или используемое оборудование не позволяет сделать одну глубокую скважину, можно сделать несколько скважин одинаковой глубины. То есть, не одну глубиной 200 метров, а четыре скважины глубиной 50 метров. 

Виды геотермальных скважин

Для создания геотермальных скважин может использоваться несколько видов бурения. 

1. Вертикальное бурение. Такие скважины бурятся строго вертикально на нужную глубину. Если таких скважин нужно несколько - между ними выдерживается расстояние не меньше 4 метров. Скважины соединяются между собой прямыми горизонтальными траншеями на глубине ниже уровня естественного промерзания (не менее 1.5 метра). 
2. Наклонное бурение. При таком способе бурения начальное расстояние между скважинами может быть минимальным. Так как скважины выполняются по направлению друг от друга, теплообменники в них не будут подвержены паразитному теплообмену. 

Особенности буровых работ

1. Бурение геотермальных скважин - сложный процесс. Вручную сделать скважины, нужные для корректного функционирования теплонасоса невозможно - без помощи специалистов с нужным оборудованием не обойтись. 
2. Разработка геотермальной скважины начинается с разведки грунта. Данные о составе грунта, глубине залегания грунтовых вод и теплоемкости участка помогут определить возможную глубину скважин и их нужное количество. 
3. Скважины должны быть расположены близко к дому - это поможет снизить путевые теплопотери. При этом, минимально допустимое расстояние от скважины до дома или других капитальных строений - 3 метра.
4. Обсадная труба для таких сооружений не нужна.

Для буровых работ могут использоваться разные агрегаты:

• буровые установки для бурения на воду (справляются с любым составом грунта);
• малогабаритные установки, которые помогут создать скважины небольшой глубины (могут размещаться даже на небольших участках);
• оборудование для кластерного бурения. которое позволит делать скважины под нужным углом (до 90 градусов).

Варианты монтируемых зондов

В геотермальные скважины могут устанавливаться геозонды трех видов.

1. U-образный зонд. Представляет собой два прямолинейных участка трубы, соединенных внизу с помощью U-образного колена (наконечника). Такая схема соединения формирует замкнутый теплообменник. Единственный недостаток такого геозонда - возможный паразитный теплообмен от трубопровода “подачи” к “обратке”. Для решения такой проблемы нужно увеличить расстояние между прямолинейными участками трубопровода, что вынужденно увеличивает диаметр скважины. 
2. Коаксиальный зонд. Представляет собой стальную (или пластиковую) трубу, заглушенную снизу, в которую помещена пластиковая труба меньшего диаметра. Рабочая жидкость подается по внутренней трубе, а обратно двигается между стенками труб большего и меньшего диаметра. Благодаря такой конструкции, поглощение грунтового тепла осуществляется равномерно, а охлажденный теплоноситель, поступающий из дома, не охлаждает нагретую грунтом рабочую жидкость.
3. Спиральный зонд. Представляет собой спиральный теплообменник из ПВХ-трубы с расстоянием между витками не менее 200 мм. Этот вариант теплообменника используется, когда есть место только для одной скважины и то не глубокой. В среднем, 1 метр спирального теплообменника поглощает до 100 Вт тепловой энергии. 

Тампонирование 

После установки теплообменника в скважину пространство между ним и грунтом заполняется. Если этого не сделать может произойти усадка и теплообменник будет поврежден, а также будет снижена теплоотдача.  Для заполнения зазоров используются строительные материалы с повышенной теплопроводностью. Это может быть Бетонит или его аналоги. Иногда для тампонирования используется грунт, очищенный от камней и шлака.  Заполнение можно выполнять вручную или с помощью спецтехники. При этом, эту работу нужно выполнять медленно, чтобы не образовывались пустоты, снижающие коэффициент теплообмена.  Перед тампонированием проводятся гидравлические испытания установленного вертикального зонда. 

Преимущества сооружений

Геотермальные скважины позволяют задействовать бесплатную, возобновляемую энергию земли и грунтовых вод для отопления дома. Это предопределяет ряд их преимуществ.

1. Эффективность. Правильно организованная скважина позволит теплонасосу производить в 4-5 раз больше тепла, чем расходуется электроэнергии на его работу. 
2. Бесперебойность. Ресурс низкопотенциальной тепловой энергии, нужный для работы теплонасосов, неисчерпаемый, поэтому перебоев в работе системы отопления не будет.
3. Экологичность. Создание скважины не вредит окружающей среде, в том числе микроорганизмам, живущим в грунте. 
4. Повсеместная доступность. Скважину можно пробурить на любом участке. Это позволяет использовать теплонасосы в любом регионе, независимо от климата (в Москве,  Новосибирске, Сочи и других городах).
5. Долговечность. Скважины и устанавливаемые в них теплообменники могут служить до 40-50 лет, не требуя сервиса. Это существенно упрощает обслуживание системы геотермального отопления.
6. Компактность. Для скважины не надо много места. В отличие от горизонтального коллектора, скважину можно расположить даже на небольшом участке земли. При этом, остальную территорию можно застраивать и засаживать. 

Наряду с этим, недостаток у скважин только один - высокая цена буровых работ. Впрочем, первичные затраты с лихвой окупаются в процессе эксплуатации тепловых насосов. 

Заключение

Геотермальные скважины - это важный элемент системы грунтовых теплонасосов. При правильной организации они позволяют эффективно использовать энергию альтернативных источников, а также гарантируют стабильность и автономность создаваемой системы отопления