Про бурение, буровую установку и собственно сами зонды.

Появление геотермальных тепловых насосов на рынке источников тепла было в первую очередь связано с дорогим подключением к магистральному газу или отсутствия этой возможности как таковой. Сам же тепловой насос тепло не вырабатывает, он всего лишь преобразует "низкопотенциальное" тепло источником которого является первичный геотермальный контур. Первые бытовые модели тепловых насосов попали к нам из Европы и в это же время потребовалось научиться бурить и монтировать геотермальные зонды первичного контура. И это не удивительно, так как до этого в нашей большой стране отсутствовала надобность в тепловых насосах для отопления как таковая. Низкая стоимость магистрального газа и невысокая стоимость его подключения, а так же технологическая сложность изготовления компрессоров и узлов автоматики для сборки теплового насоса делали необоснованным его использование.

Прошло время и магистральный газ, как единственный источник для отопления дома из-за непонятно высокой стоимости подключения и таких же непонятных сроков стал уходить на второй план. На его смену пришёл тепловой насос. Конечно это не единственный возможный способ отопления и источник тепла, но по удобству, безопасности и низким затратам на эксплуатацию он стал очень привлекательным. Немаловажным оказались и сроки запуска в работу котельной на тепловом насосе. Для частных домов срок запуска вполне может уложиться в один месяц. С магистральным газом такая история не проходит, на одно только согласование может уйти до года.

Время продолжало двигаться вперёд, цены на газ расти, а с ростом цен на классический вид отопления и развитием технологии производства компрессоров, снижения их стоимости, тепловые насосы становились всё более и более доступными для приобретения. Основной загвоздкой оставался первичный источник тепла-грунтовой контур. Точнее цена на его устройство.

Наша страна — одна из лидеров по добыче нефти и газа, это далеко не секрет. Технологии и оборудование для бурения скважин в своём большинстве были рассчитаны на нефтяные или водяные скважины. Широко применяемые буровые установки УРБ-2а, в различных модификациях, были разработаны для геологоразведочных изысканий, в том числе и на воду. Именно с их помощью и началось первое бурение скважин для установки в них геотермальных зондов. Однако для установки зондов не нужны такие глубины и мощности, которыми обладают эти буровые, да и установлены они на шасси УРАЛа или ЗИЛа, что далеко не всегда удобно для работы на небольшом участке с загородным домом. При этом цена на бурение складывается из амортизации оборудования, затрат на топливо и зарплаты буровой бригады. У большой и массивной буровой установки с основной технологией бурения на воду не может быть низких эксплуатационных расходов, вот и цена на такие скважины оставалась довольно высокой и препятствовала широкому распространению монтажа вертикальных зондов. Ещё одним недостатком при строго вертикальном бурении является необходимость соединять соседние скважины траншеями, ведь петли-зонды должны дойти до распределительного коллектора для возможности перекрытия одной из них или сбалансировать проток. Расстояние между соседними скважинами должно быть не менее 5-х метров, а это значит, что длина соединяющих траншей получается довольно приличной. Если для примера взять облагороженный загородный участок, то картина вырисовывается не очень привлекательная.

Именно для того, чтобы избежать выше описанных недостатков и прилично снизить стоимость бурения геотермальных скважин мы разработали свою технологию и специальную компактную буровую установку. Разработкой и изготовлением занялась Российская группа компаний специализирующаяся на производстве установок горизонтально-направленного бурения. Конечно, с первого раза такие вещи не делаются, вот и у нас, прежде чем мы получили удобную технологию, буровая установка прошла шесть модификаций и исполнений.

Метод наклонно-кластерного бурения оказался самым продуктивным и
компактным, при этом благодаря собственно разработанной буровой установке и технологии устройства геотермального контура удалось снизить итоговую стоимость монтажа для заказчика. 

Процесс бурения выглядит следующим образом: на участке, в выбранном месте, закапывается 1.5 метровое бетонное кольцо. Заливается бетоном дно у кольца с пластиковым приямком для удаления выбуренной породы.

На кольцо с помощью специальной рамы крепится буровая установка, сверху над местом бурения собирается армейская брезентовая палатка размером 5х5 метров. Это практически всё требуемое пространство для производства работ. Палатка не только защищает буровую бригаду от непогоды, но и закрывает от брызг бурового раствора близко стоящие строения и деревья. 

Далее начинается сам процесс бурения скважин – бурятся наклонные скважины с углом от 30 до 90 градусов к горизонту. Угол наклона выбирается в зависимости от глубины залегания твёрдых пород и наличия водоносных прослоек в грунте. После завершения бурения в скважину опускается коаксиальный зонд и буровая установка поворачивается на кольце вокруг своей оси подготавливаясь бурить следующую скважину. Расположение скважин после окончания работ напоминает расходящиеся из одной точки солнечные лучи. Сборный коллектор с запорными кранами располагается в этом же кольце. Траншея на участке только одна – от колодца к дому, в ней проходит «холодная» теплотрасса, соединяющая геотермальный контур с тепловым насосом.

Геотермальные зонды.

Для начала напомню принцип работы теплового насоса. Тепловой насос — холодильная установка состоящая из компрессора, двух теплообменников и ТРВ (терморегулирующего вентиля). Первый теплообменник-испаритель, в нём происходит кипение хладагента с отбором тепла из теплоносителя грунтового контура. Второй-конденсатор, в нём происходит конденсация хладагента сжатого компрессором с выделением тепла в теплоноситель системы отопления.

Упрощённо работа теплового насоса выглядит следующим образом: из теплообменника грунтового контура (испарителя) тепловой насос отправляет в грунт теплоноситель с температурой -2 градуса, пройдя через зонд теплоноситель подогревается до +2 градусов и возвращается в тепловой насос. На выходе теплового насоса, после работы компрессора, мы имеем теплоноситель с температурой до +60 градусов, который направляется в систему отопления. Электроэнергия тратиться только на работу компрессора, что составляет 20-25 процентов от выдаваемой мощности в систему отопления. Потратив 1 кВт электроэнергии, тепловой насос отдаст в систему отопления от 4 до 5 кВт тепловой мощности.

Геотермальный зонд — это тоже теплообменник, но он уже производит обмен тепла между теплоносителем и грунтом. Существует несколько видов зондов по своей конструкции, но оптимально используются только два.

Первый вариант — так называемый U-образный зонд. Представляет собой две пластиковые ПНД трубы диаметром 32 или 40 мм соединённые на конце специальным наконечником напоминающим латинскую букву U. Наконечник припаивается к трубам с помощью электросварных фитингов и после пайки образует неразъёмное соединение. Получается петля состоящая из двух параллельно идущих труб с разворотом внизу скважины. Одна труба является подающей, другая возвратной. Модификацией такого зонда является двойной U-образный зонд состоящий из 2-х таких петель. Использование 2-х петель позволяет несколько увеличить теплосъём с одного погонного метра скважины с увеличением стоимости самого зонда в 2 раза.

Второй вариант — коаксиальный зонд. Конструктивно состоит из наружной пластиковой ПНД трубы заглушенной с одной стороны и вставленной в неё второй трубы с низкой теплопроводностью для подачи холодного теплоносителя.

Перед тем как перейти к сравнению самих зондов, хочу заострить внимание на самом источнике тепла-массиве грунта. Основной параметр, такой как удельный теплосъём с погонного метра скважины будет зависеть от породы из которой состоит массив, наличия движения воды в порах или её отсутствия. Породы, составляющие этот массив, обладают разной теплопроводностью. В зависимости от  может быть и сухой песок, с показателями теплосъёма одного метра зонда в 20 Вт, а может супесь с движущейся по ней водой с показателем в 60 Вт с метра. Так же не маловажна среднегодовая температура грунта. Для понимания разности температур таблица:

Некоторые поставщики тепловых насосов рекомендуют использовать Европейские методики расчёта с Европейскими температурами грунта и теплосъёма зонда, но Россия это не Европа! Необходимо делать поправки на географическое расположение. После расчётов по Евронормам или европейскому стандарту VDI 4640 может получиться, что геотермальный зонд должен снимать с одного погонного метра скважины 65-80 Вт. Вот и подошли к главному — зонд-то снять может, но вот грунт не отдаёт!

Европейские стандарты и исследования конечно очень важны, но в России есть и свои исследования в этой области, например Институт проблем геотермии в республике Дагестан, г. Махачкала, основанный в 1980 году. Сотрудниками Института опубликовано более 1300 работ, написано более 30 монографий, получено 27 патентов и авторских свидетельств на изобретение. В том числе активно исследовались свойства коаксиального геотермального зонда с построением перспективных прогнозов температур на 1 год и 10 лет.

К преимуществам U-образного, особенно сдвоенного зонда, можно отнести большую площадь поверхности и как следствие возможность перенять большее количество тепла с грунта, это действительно хорошо получается если грунтовой массив готов отдавать такое количество тепла. Для тёплых регионов это действительно подходит.

К недостаткам этого вида зондов можно отнести довольно большой паразитный теплообмен между двумя параллельно идущими трубами, он составляет до 30 процентов. Немецкие производители для уменьшения паразитного теплообмена придумывают специальные пластиковые скобы, раздвигающие трубы зонда в скважине подальше друг от друга. Следующим недостатком является толщина стенки трубы. Для того, что бы трубы в скважине не сжало пластовым давлением, приходиться использовать трубу с довольно толстой стенкой, а толстая стенка трубы ухудшает теплопередачу тепла. Следующей особенностью U-образных зондов является большой объём теплоносителя для заправки в зонд. Применимо к наклонно - кластерный технологии бурения U-образные зонды тоже имеют большой недостаток. Так как скважины с зондами начинают расходиться из одного места-колодца, то и подающие холодные трубы зонда находятся рядом, происходит «вымораживание» зоны вокруг колодца.

Коаксиальные зонды применимо с технологией наклонно-кластерного бурения лишены большей части этих недостатков. Холодный теплоноситель подаётся по внутренней трубе, а подогретый возвращается по наружной, зона вокруг колодца максимально тёплая. Коаксиальный зонд не боится сжатия пластовым давлением, даже если наружную трубу сплющит, то она упрётся в толстостенную внутреннюю. Наружная труба зонда изменит геометрию с круга на овал и зонд продолжит свою работу ещё лучше обжатый грунтом. Объём теплоносителя для заправки коаксиального зонда будет меньше, чем у 2-го U-образного, значит итоговая цена монтажа будет ниже. 

Технология наклонно-кластерного бурения.

Каждому зонду, имеющему своё начало в колодце и уходящему под углом вниз, отводиться свой объём грунта с которым он работает. Форма фигуры грунта, с которой работает зонд, напоминает пирамиду имеющую основанием у нижней части зонда и верхушкой упирающейся в колодец.

Есть такой параметр у зонда, как тепловой напор на стенку трубы — это разница температур между теплоносителем внутри зонда и температурой грунта снаружи. У двухтрубного U- образного зонда тепловой напор на всём протяжении зонда будет почти одинаковым меняясь только под действием паразитного теплообмена, а вот объём грунта с которым работает зонд разный у его начала и конца. Зонд пытается получить одинаковое количество тепла у основания пирамиды массива грунта и у верхушки, где объём грунта совсем небольшой. Это вызывает недоиспользование нижних слоёв и избыточное переохлаждение верхних.

У коаксиального зонда, в силу особенностей конструктивного устройства, тепловой напор внизу зонда максимальный, где и объём взаимодействующего грунта самый большой и падает с приближением к колодцу, где объём грунта уменьшается. Такое техническое решение позволило более равномерно использовать массив грунта и не переохлаждать зону вокруг колодца.