Выбор геоконтура

Использование геотермальных тепловых насосов для отопления загородного дома - отличная возможность отапливать строения в любую погоду с помощью абсолютно бесплатной энергии грунта. Целесообразность их использования обусловлена:

• высокой эффективностью - теплонасосы могут выделить до 5 кВт тепла при расходе 1 кВт электроэнергии;
• экономичностью - для работы теплонасосов не надо топливо (газ, уголь, дрова или другое);
• надежностью - оборудование служит до 70 лет, практически не требуя обслуживания;
• экологичностью - теплонасосы поглощают низкопотенциальную энергию, не выделяя вредных веществ и не принося ущерб окружающей среде.

При этом, стабильность и производительность тепловых насосов во многом зависит от параметров геотермального контура. Поэтому надо знать особенности материалов геоконтуров и способов их установки. 

Группы геотермальных контуров

Для поглощения низкопотенциальной энергии грунта могут использоваться теплообменники двух групп:

• горизонтальные - коллекторы;
• вертикальные - зонды.

Первые из них устанавливаются в открытые котлованы или траншеи, повторяющие геометрию теплообменника. Вторые - размещаются в геотермальных скважинах.

Основные параметры геотермальных теплообменников

Теплопроизводительность теплового насоса напрямую зависит от количества низкопотенциальной энергии, поглощенной внешним контуром. При этом используется зависимость - 1 погонный метр трубопровода в среднем может поглотить до 50 Вт тепла. «В среднем» - потому что в разных слоях грунта разная теплоемкость. Кроме того, она зависит от климатических особенностей региона.  Таким образом, длина контура зависит от площади отопления. Например, для дома площадью 150 квадратных метров нужен геоконтур длиной не меньше 300 метров. 

Материал для геоконтуров

Для создания внешних теплообменников, размещаемых в грунте, используются трубы круглого сечения. Поскольку важно, чтобы грунтовой теплообменник был надежным, для его сборки, как правило, используются ПНД-трубы (пластиковые трубы из полиэтилена низкого давления) с толщиной стенок до 2-2.5 мм. Материал имеет хорошую теплопроводность и может выдерживать рабочее давление до 10 атмосфер. Такой прочности хватает трубам, чтобы стабильно работать практически в любых условиях. Так:

• давление водяного столба на каждые 10 метров - 1 атмосфера;
• при погружении на глубину 50 метров давление в трубе увеличивается на 5 атмосфер;
• дополнительное давление создает система - еще 1.5 атмосферы. 

При этом, на трубу извне давит грунт, создавая давление в 5 атмосфер, частично компенсируя нагрузки. Таким образом, при погружении на глубину 50 метров труба будет испытывать давление на разрыв не больше 2 атмосфер. Преимущество прочности ПНД-труб дополняется возможностью их бесстыковой сборки. Используя переходники, колена и муфты теплообменник из этих труб можно собрать без люфтов и щелей, что особенно важно при использовании геотермальных теплонасосов.  Иногда для создания геоконтуров используют металлические трубы. Все потому, что металлические трубы могут поглотить больше тепла с 1 погонного метра скважины или траншеи (при горизонтальном размещении). Но у такого варианта сборки геоконтура очень много недостатков:

• коррозия по шву трубы;
• быстрое вымораживание грунта;
• низкая надежность соединений.

Особенности обустройства горизонтальных геоконтуров

При выборе геоконтура для теплового насоса надо учитывать преимущества и недостатки каждого способа обустройства.

Одноэтажный горизонтальный коллектор

Этот способ подразумевает горизонтальное размещение геотермального контура зигзагом, змейкой или спиралью на глубине ниже уровня естественного промерзания.

Преимущества

1. Простой способ размещения - нужен только котлован достаточной глубины или сеть таких же траншей.
2. Высокая эффективность и стабильность теплоотдачи, так как температура на глубине в несколько метров почти не меняется.
3. Щадящее поглощение тепла, то есть грунт не вымораживается и нет риска более глубокого промерзания.

Недостатки

1. Для размещения нужны большие территории - примерно 5 соток земли на каждые 10 кВт мощности установки.
2. Запрет на застройку и засаживание участка над теплообменником. 

Такой тип геотермальных контуров - лучшее решение для домостроений, где есть много свободного места, которое не планируется застраивать и засаживать.

Многоэтажный горизонтальный коллектор

Реализация этого типа геотермального контура подразумевает создание многоуровневой структуры горизонтальных теплообменников. Для установки подобного теплообменного контура используют котлованы или траншеи глубиной до 3-4 метров. Первый контур монтируется на этой глубине (3-4 метра), а второй - на глубине 2-2.5 метра. После этого они объединяются в общую сеть, подающую теплоноситель к теплонасосу.

Преимущества

1. Для размещения многоэтажного горизонтального коллектора надо относительно мало места - из-за разделения общей длины на ярусы.
2. Теплообменники этого типа поглощают больше тепла, что связано с увеличением теплоемкости на большей глубине.
3. Многоэтажные геотермальные контуры не подвержены риску замерзания.
4. Подготовить котлован или траншеи дешевле, чем сделать скважины.

Недостатки

1. Работа по подготовке глубоких траншей или котлована очень трудоемкая.
2. Есть риск осыпания грунта во время монтажа контура.
3. Долгий процесс монтажа - так как надо выжидать естественную усадку грунта после закапывания каждого последующего яруса.

Этот тип геоконтуров - решение для ситуаций, когда места на участке для одноэтажного горизонтального геоконтура нет, а делать скважины и устанавливать вертикальные зонды дорого (или затруднительно). 

Виды вертикальных геоконтуров (геозондов)

Чаще всего используется три вида геозондов:

• двухтрубные - в каждую скважину устанавливаются соединенные между собой трубы «подачи» и «обратки»;
• четырехтрубные - в каждую скважину монтируется две пары «подачи» и «обратки»;
• коаксиальные - в скважину монтируется труба большого диаметра, заглушенная снизу, а в нее устанавливается труба меньшего диаметра для подачи охлажденного теплоносителя из дома.

В теории четырехтрубные схемы должны работать лучше двухтрубных. Но на практике вместе с увеличением поглощения тепла увеличивается и паразитный теплообмен (передача тепла от трубы трубе). При этом, в два раза увеличивается расход трубы. Поэтому, рациональнее использовать двухтрубную схему размещения вертикальных геоконтуров. Коаксиальный вид геозондов сложнее в монтаже и имеет ниже производительность, поэтому используется реже.

Особенности обустройства вертикальных геоконтуров

Есть несколько способов установки геотермальных зондов и отличаются они способом бурения скважин.

Установка в вертикальные скважины

Реализация этого варианта подразумевает размещение теплообменника в вертикальных скважинах глубиной до 200 метров. При этом, скважин, как и зондов, может быть несколько.

Преимущества

1. Занимает мало места на участке. Подойдет для застроенных приусадебных территорий.
2. Высокая эффективность из-за доступа к грунту с высоким тепловым потенциалом.
3. Возможность использования для пассивного охлаждения (кондиционирования).

Недостатки

1. Высокая цена буровых работ.
2. Возможное оседание грунта в скважинах.

Благодаря сочетанию компактности размещения и высокой эффективности, этот способ обустройства геоконтура подойдет для реализации на небольших земельных участках. 

Установка в наклонные скважины, полученные кластерным бурением

Этот способ подразумевает монтаж теплообменников в скважины, пробуренные из одной точки под углом друг к другу. Как правило, наклонные скважины короче, но их больше - до 10 штук. 

Преимущества

1. Занимает мало места на участке. Выполняется с минимальными повреждениями ландшафта.
2. Высокая эффективность из-за доступа к слоям грунта с высоким тепловым потенциалом.
3. Не нужны глубокие скважины.
4. Возможность использования для пассивного кондиционирования.

Недостатки

1. Высокая цена буровых работ.
2. Переохлаждение грунта возле скважины (не получится засаживания части территории).
3. Сложность отогревания скважины в случае промерзания.

Этот способ подойдет, если надо получить все преимущества классического вертикального геозонда и разместить скважины максимально компактно. 

Заключение

Есть много конструкций геотермальных зондов тепловых насосов, как и способов их установки.  Благодаря имеющемуся разнообразию контуры для теплонасосов можно устанавливать любым удобным способом - вариант оптимальный по всем параметрам найдется для каждого.