Бурение скважин под тепловые насосы

Бурение под тепловой насос — это создание вертикальных скважин для размещения геотермального контура, который извлекает тепловую энергию из недр земли. В отличие от поверхностных систем отопления, геотермальные скважины используют стабильную температуру грунта на глубине, которая круглый год составляет +8…+12°C.
Принцип работы теплового насоса типа «земля-вода»:
Система работает по замкнутому циклу — через U-образные зонды в скважинах циркулирует незамерзающая жидкость (рассол), которая забирает тепло из грунта и передает его тепловому насосу. Насос повышает температуру до 35-60°C для отопления дома и горячего водоснабжения. Летом система работает в обратном направлении, обеспечивая охлаждение помещений.

Роль геотермальной скважины в системе

Скважины являются основой эффективности всей геотермальной системы. Правильно пробуренные и оборудованные скважины обеспечивают:

• Стабильный теплосъем с грунта независимо от погодных условий;
• Высокий коэффициент преобразования энергии (COP 4-6);
• Долговечность системы — срок службы скважин составляет 50+ лет;
• Компактность установки — занимают минимум места на участке.

Когда без бурения скважин не обойтись:

Вертикальное бурение под геотермальный контур необходимо при недостатке площади участка для горизонтальной прокладки, сложном рельефе местности, высоком уровне грунтовых вод или каменистых грунтах. Также бурение — единственный способ достичь максимальной эффективности системы на ограниченной территории.

Прежде чем установить геотермальный тепловой насос, необходимо сначала пробурить скважину. При этом важно соблюсти необходимые параметры, поскольку такое оборудование берет тепловую энергию прямо из грунта. Соблюдение правильных технических характеристик скважины позволит добиться наибольшей отдачи от насоса.

Параметры и принцип действия скважин для тепловых насосов

Скважинные колодцы, в которых будет находиться тепловой насос, оснащают специальным контуром. По нему будет циркулировать жидкость, имеющая особый состав и специфические характеристики. Этот жидкий состав не твердеет при низких температурах. Обычно для этого используют пропиленгликоль, который в просторечье называют рассолом.

Данный контур идет по всей скважине и достигает дна. Обычно ее глубина превышает глубину промерзания грунта. При контакте с почвой контур нагревается. Входя  в скважину, пропиленгликоль имеет отрицательную температуру (около 1 ), а на выходе она повышается до 6-8 . Такой показатель более чем подходит для хорошего обогрева.

Бурение скважин под тепловые насосы

Снаружи скважинного колодца также находится наружный контур. По непрерывно циркулирует охлаждающий состав. На выходе между надземной и подземными частями осуществляется обмен теплом. Во время этого холодильное вещество сначала нагревается, а потом переходит в состояние газа. Далее происходит повторный тепловой обмен, который аналогичен первому. Именно по такому принципу функционируют все тепловые насосы.

Количество необходимых скважин

Чтобы рассчитать, сколько необходимо пробурить скважин, необходимо учесть ряд факторов. На эффективность работы тепловых насосов оказывает большое влияние тип почвы, которая преобладает на участке. Также не последнюю роль играют технические параметры оборудования, которое планируется установить. Традиционно выделяют несколько зависимостей типа грунт-теплоотдача:

• Песчаный или сухой грунт. Один погонный метр отдает около 30 ватт тепла.
• Почва с высоким содержанием влаги. В этом случае теплоотдача составляет 60 ватт. Максимальной отдачи можно добиться, если подземные источники находятся не сильно глубоко от поверхности.
• Каменистая почва или твердокаменные породы. Такой грунт обладает самыми высокими показателями эффективности. В этом случае один метр контура дает порядка 65-85 ватт тепла.
• Земляной грунт. Если планируется создавать скважины для тепловых насосов в почве с умеренным увлажнением, то можно ожидать отдачи 50 ватт. Поскольку такой тип почв преобладает, то этот показатель мощности условно называют средним показателем теплоотдачи.

При наличии средств и возможностей, прежде чем бурить колодец, желательно провести местную геологическую разведку. Если же такой возможности нет, специалисты рекомендуют брать за отправную точку средние данные.

Помимо типа почвы следует обратить внимание еще на некоторые характеристики.

Общая схема расчета числа скважинных колодцев выгладит так:

• Определить показатель эффективности тепловой отдачи почвы. Если нет возможности этого сделать, то взять среднюю величину 50 ватт.
• Рассчитать необходимую мощность теплового насоса. Во время подсчетов следует опираться на то, что на 10 кв. м помещения приходится около 0,7 кВт энергии. Из это следует, что для жилого дома площадью 80 кв. м понадобится порядка 5,6 кВт. Следует обратить внимание, что такой показатель подходит, если помещение имеет достаточную теплоизоляцию и стандартные потолки (2,7 м).
• Далее определяют общую длину теплового контура. Необходимо 5600 Вт разделить на 50 Вт/м. В данном случае получается контур длиной 112 метров.
• Средняя глубина скважины составляет 30 м. Поделим общую протяженность на данный показатель и округлим до целого числа. В итоге получаем, что для организации отопления дома площадью 80 кв. метров необходимо пробурить 4 скважины.

Срок исправного функционирования скважин

Существует прямая зависимость между сроком службы скважины, качеством бурения и используемых материалов.

Основной частью конструкции любого скважинного колодца – коллектор. Для его изготовления лучше брать металлы, обладающие противокоррозионными свойствами. В этом случае срок службы такой скважины может составить до 70 лет. Если использовать трубы из полимерных материалов, то коллектор прослужит 50-60 лет.

Следует помнить, что после обустройства колодца работа не останавливаются. В продолжении первого года необходимо проверять ее состояние, поскольку любой грунт может со временем осесть. Если грунт сильно осядет, это может повлиять на исправность системы в целом, поэтому необходимо срочно провести ремонтные работы.

Разновидности скважин для тепловых насосов

Скважинные колодцы для тепловых насосов делят в соответствии со способом их бурения. В зависимости от этого выделяют три типа скважин:

• Вертикальные. Такой тип бурения приемлем для прокладывания начального контура на глубине, где грунт обладает высокой тепловой отдачей. Чтобы их вырыть нужна специальная техника.
• Горизонтальные. При этом способе подготовки скважин необходим большой земельный участок площадью от 200 кв. м (2 сотки). Горизонтальная закладка предполагает снятие слоя почвы приблизительно на 50 см ниже уровня промерзания. Глубина скважин зависит от того, в каком регионе расположен данный земельный участок. Этот способ более простой с технической точки зрения, однако требует больше сил.
• Наклонные. Этот способ применяют при ограниченной площади. Даже во время бурения вертикальных скважин необходимо соблюдать определенные расстояния между ними. Для бурения наклонных скважин достаточно площади в 4 кв. м. Их можно сделать даже в подвале частного дома при условии, если его фундамент не монолитный. Этот способ самый сложный.

Технология создания скважин

Чтобы вырыть скважину для геотермального насоса необходимо иметь специальную установку для бурения. Перед началом работ следует провести тщательные расчеты параметров будущей скважины. Самыми важными здесь являются глубина закладки контуров и то, какие материалы при этом планируется использовать.

Необходимая глубина скважин для тепловых насосов

Во время расчета глубины колодца учитывают ряд факторов. В пункте о количестве скважин приведен пример, как посчитать их число с учетом размеров отапливаемого помещения. От этого зависит то, сколько необходимо тепла для то чтобы его отапливать. Кроме этого, важную роль играют тип почвы и площадь придомного участка. Если его размеры сильно ограничены, то делают несколько колодцев средней глубиной до 30 метров. Спецтехника расширяет возможности бурения до 100 метров, в некоторых случаях и глубже. Но такие скважины достаточно проблематично обслуживать.

Материалы для оборудования скважины

Что касается коллектора скважины, то его делают из полимерных или металлических труб. Перед прокладкой коллектора сначала производят его изоляцию от почвы. Это пространство заполняют специальным составом. Следует тщательно выбирать состав, опираясь на его качество и проводимость тепла.

Коллектор из нержавеющего металла имеет продолжительный срок службы и более высокую проводимость тепла, нежели полимерный материал. Наполнитель должен быть достаточно прочным, чтобы защитить коллектор от деформации, вызванной усадкой грунта. Без должной защиты коллектор быстро придет в негодность. Самым лучшим вариантом наполнителя будет бетонит.

Бурение скважинных колодцев предполагает тщательную и серьезную подготовки. От этого в дальнейшем будет зависеть качество и срок службы оборудования.

Опытные специалисты Sagatherm отвечают на наиболее популярные вопросы клиентов о бурении скважин для геотермальных систем.