Что такое геотермальная скважина

Принцип работы геотермальных скважин основан на тепловой энергии горячих грунтовых источников. Интерес к такому не дорогому и постоянному виду энергии растет с каждым днем. Геотермальные скважины делают в основном для теплового насоса. Скважина, работающая на геотермальном источнике, может обеспечивать горячее водоснабжение и отопление на протяжении не одного года.

Принцип работы геотермальных скважин

Принцип работы системы, основанной на геотермальной скважине достаточно прост. Трубопровод доходит до места пролегания геотермального источника, поглощает тепло и передает его в тепловой насос. Тепловой насос повышает температуру до необходимого уровня и в таком виде оно поступает в дом. Тепловая энергия может реализовываться через радиаторы, теплые полы или файнколы.

Трубы, которые идут от геотермальной скважины надежно фиксируются между собой. То место, где труба соприкасается с термальным источником, заливают специальным раствором и обрабатывают глиной, для повышения теплоизоляционных свойств.

Преимущества геотермальных скважин

Определившись с тем, что такое геотермальная скважина и как она функционирует, внимание следует уделить ее основным преимуществам.

1. Экономичность. Скважина работает от естественной тепловой энергии. Соответственно, необходимости во всех видах топлива не возникает. Поэтому при использовании геотермальной скважины понадобится лишь электроэнергия для теплового насоса.
2. Постоянство работы. Геотермальная скважина — это неиссякаемый источник энергии. Она неизменно может функционировать в течение десятков лет. А тепловой насос может выдерживать нагрузки около 30 лет.
3. Высокая экологичность. Создание геотермальной скважины фактически не влияет на окружающую среду. Диаметр бурения достигает незначительных размеров.
4. Возможность повсеместного использования. Геотермальный источник сохраняет постоянство температуры на любой глубине и в любом грунте, даже в скальных породах. Поэтому геотермальные скважины доступны практически в любых районах загородного строительства.
5. Быстрая окупаемость затрат. Значительные расходы возникают только на этапе бурения самой скважины. В дальнейшем эксплуатация и ее использование фактически не требует дополнительных вложений

Что нужно знать при бурении геотермальных скважин

Процесс бурения геотермальных скважин достаточно сложный и трудоемкий. Приступая к реализации такой идеи необходимо учитывать несколько факторов. Если вы решили доверить бурение геотермальной скважины профессионалам, то нужно знать следующее. Во-первых, окончательная цена бурения может быть вам известна только после завершения работ. Обычно специалисты озвучивают минимальную стоимость. Она в процессе может варьироваться в зависимости от изменения глубины бурения, либо от изменений свойств грунта. Также само бурение не значит завершение работы, ведь также необходим монтаж труб к скважине, их обработка и надежное закрепление. Во-вторых, приступая, к созданию сметы и плана бурения, вам необходимо определиться с местом, где будет располагаться скважина. Она должна находиться не ближе чем за два метра до строения. В-третьих, перед процессом бурения необходимо провести разработку грунта, а также смонтировать коллектор теплового насоса и установить бурильный зонд.

Геотермальная скважина представляет собой скважину, основанную на горячих термальных водах. Многие потребители уже поняли и оценили что такое геотермальная скважина. Ее преимущества говорят сами за себя. Эффективность и экономичность такого источника энергии, действительно впечатляют. Для создания автономной системы отопления геотермальная скважина является самым оптимальным выбором.

Особенности бурения скважин для тепловых насосов

Бурение скважин под геотермальные тепловые насосы является одним из важнейших этапов установки таких агрегатов. Так как тепловая энергия, используемая этим видом теплонасосов для отопления, черпается из грунта, параметры скважины играют огромную роль в достижении максимальной эффективности теплообмена.

Параметры и принцип действия скважин для тепловых насосов

Скважина, созданная для функционирования теплового насоса, предполагает наличие внутри контура. По данному контуру циркулирует специальный жидкий состав, обладающий специфическими свойствами. Данный состав не затвердевает даже при собственной отрицательной температуре. Как правило, для этой цели используется пропиленгликоль, именуемый также рассолом.

Контур уходит вглубь до самого дна скважины, где контактируя с грунтом, находящимся ниже глубины промерзания почвы нагревается. Пропиленгликоль на входе в скважину имеет температуру порядка минус одного градуса по Цельсию, а выходя из скважины, прогревается до 6-8 градусов. Этой температуры вполне достаточно для эффективного обогрева.

Бурение скважин под тепловые насосы

На выходе осуществляется теплообмен между скважинным контуром и наружным контуром, в котором циркулирует хладагент. При контакте контуров хладагент разогревается и переходит в газообразное состояние. После чего происходит повторный теплообмен аналогично общим принципам действия всех тепловых насосов.

Количество необходимых под теплонасос скважин

Расчет количества скважин, бурение которых необходимо для эффективного функционирования тепловых насосов зависит от ряда факторов. Здесь играют роль и тип грунта, преобладающий на участке бурения, и технические характеристики самого оборудования. Выделяют следующие зависимости эффективности теплоотдачи от типов грунта:

• При заложении первичного контура в песчаные, либо другие сухие грунты теплоотдача от одного погонного метра контура составит порядка 30 ватт.
• Грунты с высоким содержанием влаги будут уже более эффективны, данный показатель у них колеблется на уровне 60 ватт. Грунты обладают такими свойствами при относительно неглубоком нахождении подземных водоемов.
• Твердые каменные породы обладают наивысшим показателем эффективности теплоотдачи. У них он колеблется от 65 до 85 ватт на погонный метр контура.
• Обычный земляной грунт умеренного увлажнения может похвастаться показателем теплопередачи порядка 50 ватт на метр. Так как данный тип грунтов является преобладающим, показатель теплоотдачи в 50 ватт принимают за усредненную величину.

Если существует такая возможность, то перед бурением скважин лучше провести локальную геологоразведку. Если же ее нет, рекомендуется использовать усредненный показатель.

Кроме типа грунта потребуется уточнить еще несколько параметров. Итак, расчет количества скважин можно провести следующим образом:

• Определяется либо берется средний показатель эффективности теплоотдачи грунта. Для примера возьмем среднюю величину 50 ватт.
• Рассчитывается требуемая для нужд конкретного здания мощность теплового насоса. Ориентировочно ее можно определить из расчета 0.7 киловатт на 10 квадратных метров помещения. Таким образом, для дома общей площадью 100 квадратный метров, требуемая мощность агрегата будет равна 7 киловатт или 7000 ватт. Стоит отметить, что данный показатель определен при условии хорошей теплоизоляции дома и стандартной высоте потолков 270 сантиметров.
• Определяется необходимая протяженность контура: 7000 ватт делим на 50 ватт на метр, получаем протяженность контура 140 метров.
• При средней глубине скважины 30 метров, проведя расчет и округление, получим количество равное 5 скважинам.

Срок исправного функционирования скважин

Насколько долгий период времени прослужит пробуренная для теплового насоса скважина, зависит от качества самого бурения и материала, использованного при ее обустройстве.

Львиную долю материалов в скважине составляет коллектор. Если изготовить его из металла, устойчивого к коррозии, он прослужит вплоть до 70 лет. Использование полимерной трубы позволит коллектору продержаться порядка 50-60 лет.

Однако не стоит сразу по окончании работ по обустройству скважины забывать о ней. Как минимум в течение одного года следует проводить мониторинг состояния скважины, так как грунт подвержен оседанию. В случае влияния оседания грунта на целостность скважины, нужно оперативно произвести ремонтные воздействия в ее отношении.

Разновидности скважин для тепловых насосов

Бурение горизонтальных скважин для тепловых насосов

В основе деления скважин на разные типы лежит способ их бурения. В зависимости от него выделяют следующие виды скважин:

1. Скважины вертикального бурения. Такой вид бурения позволяет проложить первичный контур на глубинах, где грунт имеет более высокую степень теплоотдачи. Однако создание вертикальных скважин предполагает применение спецтехники.
2. Скважины горизонтального бурения. Такое расположение скважин требует наличия придомового участка площадью не менее двух соток. Для осуществления горизонтальной закладки скважин требуется снять слой грунта примерно на полметра ниже уровня его промерзания. Эта глубина будет зависеть от региона расположения участка. Данный способ является наиболее простым в техническом плане, но требует больших трудозатрат.
3. Скважины наклонного бурения. Такое бурение будет актуальным, если существует строгое ограничение доступной площади. Даже вертикальные скважины требует определенного удаления друг от друга. Наклонное бурение позволяет обойтись площадью в 4 квадратных метра. Теоретически его можно осуществлять даже в подвале частного дома, ели он расположен не на монолитном фундаменте. С технической точки зрения такое решение самое сложное.

Технология создания скважин под теплонасосы

Процесс создания скважин для теплонасосов предполагает использование специализированных буровых установок. Однако перед их применением нужно тщательно рассчитать параметры самой скважины. Наиболее важными из них являются ее глубина и используемые в монтаже материалы.

Необходимая глубина скважин для тепловых насосов

Глубина скважин для тепловых насосов рассчитывается с учетом нескольких факторов. К ним относится площадь дома, а соответственно и количество тепла, необходимого для его отопления. Кроме того играют роль уже упомянутые типы грунтов и доступная под расположение скважин площадь. В том случае, если ограничений по площади не испытывается лучше сделать несколько среднезаглубленных скважин, порядка 30 метров глубиной. Техника позволяет производить бурение на 100 и более метров. Однако лучше этого не делать, так как куда проще обслуживать скважины и проводить мониторинг их состояния при меньших глубинах.

Материалы для оборудования скважины

Коллектор скважины может быть выполнен из металла или полимерного состава. Кроме установки самого коллектора нужно провести работы по изоляции его от грунта. Пространство между трубой коллектора и грунтом должно быть заполнено специальным составом. При выборе обоих компонентов решающее значение имеет их качество, а также теплопроводность, так как от нее напрямую зависит эффективность теплопередачи.

Геотермальная скважина

Лучшим вариантом станет металлический коллектор. Помимо большего срока службы, металл обладает более высокой теплопроводностью, чем полимер. Что касается заполнителя, то данный материал должен обладать достаточной прочностью для защиты от усадочных деформаций. Если не производить защиту от усадки грунта, тепловой контур может быть поврежден и приведен в негодность. Оптимальным вариантом выбора материала для заполнителя является бетонит.

Бурение скважинного колодца под геотермальные тепловые насосы требует тщательных расчетов и подготовки. От качества выполнения данного процесса зависит не только эффективность теплонасоса, но и срок его эксплуатации.

Организация геотермального контура

В последние десятилетия в странах Европы и Северной Америки наблюдается рост интереса к альтернативным источникам тепла и кондиционирования помещений. В некоторых случаях это связано с дороговизной и постоянным ростом цен на традиционные энергоносители (газ, нефть, уголь), в других стимулом развития энергоэффективных технологий выступает довольно жесткое экологическое законодательство, не допускающее роста вредных выбросов в атмосферу и сточные воды.

Одним из неиссякаемых источников энергии является сама Земля. Круглый год температура грунта ниже глубины промерзания остается положительной, что позволяет рассматривать эти слои земли как тепловой аккумулятор неограниченной мощности. Энергию нашей планеты с помощью теплового насоса можно использовать с максимальной эффективностью и с нулевым отрицательным воздействием на экологию окружающей среды.

Геотермальный тепловой насос — это устройство для переноса и преобразования энергии Земли в тепло. Он производит в 4-6 раз больше тепла, чем потребляет электроэнергии для этого. Например, для отопления помещения в 100 м 2 достаточно теплового насоса, потребляющего всего 2 кВт электричества. Ровно столько энергии потребляет обычный электрочайник. Тепловые насосы уже более 50 лет успешно применяются в странах Северной Европы — Швеции, Норвегии и Исландии — где чрезвычайно высокие цены на газ и нефть. Технология их использования настолько энергоэффективна и экологична, что правительства упомянутых государств субсидируют их установку в частных домах, а административные здания строятся только с геотермальной системой отопления.

В России тепловые насосы долгое время не находили себе применения. Это было связано с низкой стоимостью газа в советское время и бесплатным подводом его к жилым домам и производственных объектам. Сейчас картина диаметрально противоположна, что заставляет как частных лиц, так и владельцев предприятий, искать менее затратные способы отопления и кондиционирования помещений. И именно успешное использование геотермальных насосов в Северной Европе вызывает рост спроса на них и в нашей стране.

Рис. 1 Принцип работы геотермального теплового насоса

Технология работы геотермального теплового насоса базируется на элементарных физических законах сохранения энергии и строится на взаимодействии двух контуров:

1. Первичный контур, заполненный «рассолом» (обычно пропиленгликолем), расположенный под землей на глубине ниже точки промерзания, отбирает тепло из грунта и передает его в теплообменник теплового насоса. По мере продвижения «рассола» он разогревается до +8 o C, чего достаточно для обеспечения теплонасоса низко потенциальной энергией
2. Второй контур отбирает тепло у первичного, в результате чего циркулирующий в трубах фреон переходит из жидкого в газообразное состояние и впрыскивается в компрессор насоса. Там создается давление, разогревающее газ до температуры в +65 o C, после чего происходит его впрыскивание в конденсатор, где фреон преобразуется обратно в жидкость, но уже более высокой температуры, и запускается процесс теплообмена с отопительной системой помещения.

Эффективность работы теплового насоса напрямую зависит от способа укладки первичного контура, который определяют исходя из двух основных параметров:

1. Тип грунта;
2. Площадь территории под первичный контур.

От типа грунта зависит значение показателя теплоотдачи от погонного метра контура. Самыми лучшими считаются территории с высоким содержанием влаги, как правило, это земельные участки с неглубоким прохождением подземных вод. Такой грунт обеспечивает теплоотдачу на уровне 60 Вт/м. Хуже всего показатель будет в засушливых местах и в песчаном грунте — менее 25 Вт/м. Существует и усредненное значение, которое равняется 50 Вт/ми используется при расчетах в условиях отсутствии точных данных локальной геологоразведки. Естественно, чем выше показатель теплоотдачи, тем меньшей длины нужен первичный контур, и тем дешевле будет стоимость решения геотермальной системы отопления.

Тип грунта

Теплоотдача (Вт/м)

Сухой песок

o C) грунта на глубине 1,6 м в городах РФ От площади территории под первичный контур зависит выбор способа его укладки. На сегодняшний день существует четыре способа: 1. Горизонтальное бурение Самый простой, но трудоемкий способ монтажа, заключающийся в снятии верхней части грунта на большой площади рядом с объектом. Как правило, снимают грунт до отметки 30-50 см ниже точки промерзания. Для каждого субъекта Российской Федерации и типа грунта эта точка находится на разной глубине — от 1,3 до 2,5 метров. Площадь «раскопок» составляет не менее 200 м 2 и зависит от величины тепловой мощности, необходимой для отопления или кондиционирования объекта. В среднем на каждые 100 м 2 приходится 10 кВт. Рис. 2 Горизонтальный контур Данный способ отличается рядом довольно существенных минусов. Во-первых, территория над первичным контуром будет полностью не пригодна для хозяйственной деятельности. Из-за довольно значительного промерзания грунта во время работы геотермального теплового насоса на этой площади нельзя выращивать деревья и даже кусты — только газонную траву. Во-вторых, подобное решение не получится использовать в «пассивном» режиме для кондиционирования помещения в летний период. В-третьих, из-за промерзания грунта горизонтальное бурение невозможно проводить с октября по апрель на большей части территории России. 2. Вертикальное бурение Приблизительно ниже 20 метров над уровнем грунта находится зона с практически постоянным значением положительной температуры. В северных районах России она достигает +10 o C, для южных регионов характерно значение +18 o C. На такой глубине находятся не только более твердые породы, отличающиеся лучшими показателями теплоотдачи (см. Табл.1), но и, как правило, участки с неглубоким залеганием поверхностных вод, что только положительно сказывается на эффективности работы геотермального теплового насоса. Рис. 3 Вертикальное контур Важным преимуществом данного метода является тот факт, что нет необходимости делать одну глубокую скважину под всю длину первичного контура. Можно сделать несколько скважин на расстоянии друг от друга не менее 4 метров, соединенных траншеями на глубине ниже точки промерзания грунта. Суммарная длина скважин равняется заявленной в проекте длине первичного контура, который, к слову, значительно короче, чем требуется для горизонтальной укладки. К недостаткам данного метода стоит отнести значительное воздействие на ландшафт — большое количество «грязи» при буровых работах. Тем не менее данный метод отлично подходит для организации геотермального отопления промышленных объектов и частных домов на этапе строительства. Довольно часто на российском рынке присутствует предложение делать не вертикальную скважину, а наклонную — например, под углом 45o. Это удешевляет стоимость буровых работ, но имеет ряд негативных последствий при эксплуатации. При установлении долгого периода довольно низких температур возможно сильное вымораживание грунта, что негативно скажется на деревьях и кустарниках. В некоторых случаях, неправильный инженерный расчет может привести к разрушению фундамента здания и довольно внушительным тратам на восстановительные работы. 3. Переливной контур Пожалуй, самый экономически выгодный и одновременно простой метод монтажа теплового насоса. Технологически похож на организацию вертикального контура с тем лишь отличием, что требуется бурения всего лишь двух скважин. Из первой скважины вода подается в испаритель геотермального теплового насоса, который отбирает ее тепло и «переливает» во вторую скважину. Единственное жесткое требование, которое надо обеспечить — это разница температур источника тепла (например, грунтовые воды) и системы отопления должна быть минимальной. Данный метод хорошо себя зарекомендовал при условии высокого уровня грунтовых вод, обеспечивающих высокую производительность тепловой системы. Если же воды залегают глубоко и дебета скважины не хватает — требуется 2 м3 воды на 10 кВт тепла — то стоимость монтажа становится не такой конкурентно способной. Рис. 4 Переливной контур Главное преимущества переливного контура — это стоимость монтажа. Если для отопления загородного дома может потребоваться до 10 скважин методом вертикального бурения, то в нашем случае их количество никогда не превысить двух. Это не только снижает стоимость проекта, но и значительно сокращает время его реализации. Тем не менее, в России этот метод применяется незаслуженно мало. Это связано с тем, что при возникновении форс-мажорной ситуации — например, прекратилась подача грунтовых вод из первой скважины — тепловой насос замораживается и образуются кристаллы льда внутри теплообменника. Это в свою очередь приводит к значительным неисправностям всей отопительной систем, как правило, в самый холодный период года. Этот «страх» отчасти верен, но применим только в случае с пластинчатыми теплообменниками. Продукция SMAGA использует трубчатые аналоги, которые не подвержены внештатному замерзанию с последующим выходом из строя. 4. Наклонное (кластерное) бурение Если площадь участка под первичный контур сильно ограничена, и вам по каким-то причинам не подходят вертикальные скважины, то используют метод кластерного бурения, который по энергоэффективности ничуть не уступает своим «конкурентам». Он был разработан в Европе и на сегодняшний день практически все объекты, отапливаемые таким способом, находятся на территории ЕС. Рис. 5 Наклонные (кластерные) скважины Для организации «кластерного» первичного контура необходимо пробурить колодец глубиной около 4 метров, в котором под углом делают необходимое количество скважин глубиной до 30 метров. Вся получившаяся конструкция по форме напоминает корень дерева или куст, почему такой вид укладки первичного контура нередко называют «бурением кустом». Для организации отопления подобным методом необходимо сделать грамотный теплофизический расчет грунта. Довольно часто, для удешевления проекта использует усредненный показатель теплоотдачи земли. Подобное допустимо для грунтов с глубоким залеганием подземных вод и слабым его насыщением влагой. Если же произошла ошибка и не было проведено геологической разведки, то зимой при сильных морозах может произойти сильное промерзание земли вокруг кластерной скважины. Это приводит в свою очередь к повышенному давлению на фундамент рядом расположенных построек и может стать причиной образования трещин в основании зданий. Поэтому использование кластерного метода в России недопустимо без предварительного исследования грунта — довольно обширные территории нашей страны испытывают большие температурные колебания в течение года. Важно отметить, что геотермальные системы отопления, спроектированные на основе вертикального и кластерного бурения, могут работать в «пассивном» режиме, обеспечивая кондиционирование помещения в жаркое время года. Горизонтальный способ укладки первичного контура таким преимуществом, к сожалению, похвастаться не может. Горизонтальной бурение Вертикальное бурение Переливной контур Наклонное бурение Плюсы: — Не требуется бурение, что значительно удешевляет монтаж теплового насоса. — Зонды-коллекторы располагаются на глубине 1,5 — 2 метра. Плюсы: — Не требует большой площади под монтаж зонда. — Монтаж в любое время года. — Работа в режиме «пассивное охлаждение». — Не наносит вреда растениям и кустам. — Быстрое отогревание. — Отсутствие грязи при проведении работ. Плюсы: — Не требует большой площади под монтаж. — Самая дешевый вариант! — Не наносит вреда растениям и кустам. — Монтаж в любое время года. — Быстрее введение проекта в эксплуатацию. — Отсутствие грязи при проведении работ. Плюсы: — Минимальная площадь бурения. — Монтаж в любое время года. — Работа в режиме «пассивное охлаждение». — Не наносит вреда растениям и кустам. — Быстрое отогревание. — Отсутствие грязи при проведении работ. Минусы: — Вымораживание слоя грунта над зондом-коллектором. Гибель растений с развитой корневой системой и кустов. — Требуются большие площади под зонд. В среднем около 5 соток на каждые 10кВт тепловой мощности. — Невозможность монтажа с октября по апрель из-за промерзшего грунта. — Невозможность использования в режиме пассивного охлаждения Минусы: — Возможно оседание грунта в траншеях. Минусы: — В пластинчатых теплообменниках возможно образование льда при отсутствии должно объема воды. Минусы: — В случае значительного переохлаждения плохо отогреваются скважины. — Требуется бурение, но по значительно более дешевой технологии. — Дороговизна технологии. — Требуется предварительная геологическая разведка. — Возможно ограничение на использование на грунте с повышенным содержанием влаги. Табл. 3 Сравнительная таблица преимуществ и недостатков способов укладки первичного контура Компания EcoSmaga — одна из немногих на российском рынке, которая может применять не только метод укладки горизонтального контура (как большинство конкурентов), но и активно внедряет методы переливных скважин и вертикального бурения для организации первичного геотермального контура. Наши специалисты всегда предложат вам самое оптимальное решение и только проверенные временем тепловые насосы SMAGA, обеспечивающие экологически чистой тепловой энергией уже десятки объектов на территории России. Объекты, работающие на наших решениях, есть и в зоне вечной мерзлоты Республики Саха, и в Сибирском федеральном округе, и, конечно, на территории московского региона. Мы оказываем полный комплекс услуг — от расчета проекта, до благоустройства места бурения, восстанавливая разрушенный в ходе работ ландшафт. Внедрение геотермального теплового насоса SMAGA — это внедрение инновационных энергоэффективных технологий, отвечающих всем требованиям экологического законодательства. Читайте также:  Необходимого для отопления зимой Оцените статью Вам также может понравиться 2 трубная только отопление Схемы двухтрубных систем отопления для частного дома 2 трубная система отопления частного дома своими руками схема Двухтрубная система отопления: все нюансы, которые 2 трубная система отопления диаметр труб Необходимый диаметр труб для разных систем отопления 2 питьевой пояс водоснабжения Постановление Главного государственного санитарного 2 питьевое водоснабжение для предприятия Водоснабжение промышленных предприятий: виды систем 2 категория водоснабжения для расчета штатного расписания муп Штатное расписание. Унифицированная форма Т-3 Штатное 1 категория водоснабжения требования Исполнительная документация Какие бывают категории 354 постановление правительства холодное водоснабжение Постановление Правительства РФ от 06.05.2011 N 354 (ред. Контакты Правообладателям Политика конфиденциальности