03.10.2022
Энергоэффективные системы жизнеобеспечения зданий и сооружений становится все более актуальной темой не только для промышленного строительства. Человеку всегда хотелось построить собственный дом с применением самых современных строительных материалов и технологий.
Сегодня, такую возможность ограничивает, пожалуй, лишь только размер собственного кармана. И все-таки большинство из нас стараются, сделать свое будущее жилище, не только красивым, но и энергоэффективным.
Система отопления — одна из самых главных инженерных систем здания, отвечающая за комфорт в помещении, и за его эксплуатационные характеристики. Конечно, Всем нам хочется, чтобы эта система была безопасной и надежной, не загрязняла место нашего обитания и не наносила сильный ущерб семейному бюджету в период холодов.
О системах отопления с использованием тепловых насосов мы знаем уже достаточно много, поэтому рассказывать вам о принципах работы теплового насоса, мы не будем. Задача нашей публикации подробно рассказать Вам об одном из способов извлечения тепла из земли, основываясь на реальном опыте полученным нашей компанией с 2006 года.
Всем мы имеем представление о том, как происходит бурение скважин на воду. Нас не сильно удивляет, что где-то глубоко под землей есть много воды. Компаний предлагающий этот вид услуг на сегодняшний день более чем достаточно. Оборудование необходимое для последующего обустройства скважины можно купить практически на любом рынке. Все что нам остается сделать найти устраивающих нас специалистов и приемлемые для нас цены.
В чем же отличие скважин на воду от скважины позволяющей извлекать тепло земли?
В первую очередь хотелось бы определиться с понятием «тепло земли» . Температура земли на глубине 2-3 м. около 5-9С°. Далее по мере углубления температура повышается на 1С° на каждые 30 м. Глубина скважин на тепло земли как правило не превышает 100-120 м. Так что теплом это можно назвать только условно, однако для эффективной работы теплового насоса, это именно то, что нужно.
Принципиально способы отбора тепла из скважин можно разделить на два.
Первый способ: использование воды с температурой 5-7С° находящейся в скважине с последующим ее сливом.
Второй способ: использование грунта с температурой примерно с той же температурой в качестве огромного теплообменника.
К преимуществам первого способа – можно отнести постоянную стабильную температуру воды 5-7С° получаемую из недр, и при неглубоком залегании водоносных горизонтов более высокий КПД работы теплового насоса. Однако, это пожалуй единственный плюс. Недостатков у этого способа особенно для частного застройщика значительно больше.
Для правильной и эффективной работы такого способа потребуется выполнить достаточно много условий. Начнем пожалуй, с качества самой воды. Как известно, качество воды в Московской области, получаемой из недр, в большинстве случаев оставляет желать лучшего. Большое содержание железа и извести в воде быстро выводит из строя сантехнические и нагревательные приборы вынуждает пользователя устанавливать дорогостоящие системы очистки воды, нуждающиеся в регулярном техническом обслуживании. И это при достаточно небольшом расходе воды. Семья из четырех человек, как правило, не тратит более 1-2 куб.м. воды в сутки. А вот для работы даже не очень мощного теплового насоса, к примеру, на 16 кВт тепловой мощности, воды понадобиться 4 куб.м. в час. Если в среднем оборудование работает 12 часов в сутки, то это уже 48 куб. Естественно очищать такое количество воды вряд ли кто будет.
В свою очередь производители тепловых насосов дают хорошие гарантии на работу своего оборудования (3-7 лет в зависимости от производителя). Но при этом предъявляют очень жесткие требования к ее качеству, при организации такой схемы работы установки. Поэтому, как правило, при использовании такого способа отбора тепла эта проблема решается устройством дополнительного контура с установкой промежуточного теплообменника, что безусловно, приводит к удорожанию системы в целом, а так же к периодической чистке теплообменника.
Следующая проблема, собственно говоря, вытекает из предыдущей. Не каждая скважина способна дать столько воды. Как правило, большинство скважин на воду делают из расчета 2-3 куб. в час, так как для стандартного водопользования больше и ненужно. Но даже если Ваша скважина и сможет выдать объем воды необходимый для работы теплового насоса, стоит задуматься о том, куда эту воду Вы будете сливать. Напомним что объем этой воды при использовании теплового насоса на 16 кВт (дом 200-250 кв.м.) составит 48-50 куб. в сутки. Обычно эту проблему решают с помощью устройства второй водоприемной скважины! Расстояние между скважинами в этом случае должно быть не менее 25-30 метров. Но самое главное, что бы водоприемная скважина находилась ниже по направлению подземного течения, чем водозаборная. В противном случае использованная вода с пониженной температурой будет снова попадать в теплообменник теплового насоса, что может привести к понижению температуры источника и как следствие неправильной работе системы.
И здесь мы сталкиваемся с проблемой, о которой может быть следовало сказать в самом начале. Это само бурение скважин и их расположение. Определить направление подземного течения без проведения разведывательного бурения в 3-5 точках участка на заданную глубину практически невозможно.
Поэтому, в большинстве случаев использовать такой способ извлечения тепла нецелесообразно. Но и сбрасывать со счетов его тоже сразу не стоит. В ряде случаев данный вид отбора тепла позволят достаточно сильно снизить Ваши расходы на устройство внешней части проекта. Если рядом с вашим домом находится большой водоем или в цикле вашего производства используется много сбросной воды техногенного характера, обязательно расскажите это специалисту консультирующей Вас компании.
Ну а теперь давайте рассмотрим основной способ извлечения тепла из земли:
Общая глубина скважины по отбору тепла напрямую зависит от двух основных факторов:
- Мощность теплового насоса.
- Теплоотдающей способности грунта в том или ином месте.
Выше мы рассматривали вариант отопления дома 200 кв.м. тепловым насосом на 16 кВт. Большинству из нас сегодня уже известно, что секрет работы теплового насоса заключается в том, что третью часть используемой энергии он забирает из земли и только одна четвертая часть используется для работы компрессора. Таким образом, сделав нехитрые вычисления, становится понятно, что для работы теплового насоса на 16 кВт, 12 кВт мы должны взять из земли, а 4 кВт из сети. Что бы облегчить следующий шаг переведем 12 кВт в Ватты, получим 12000 Вт.
В развитых странах, где данный способ отопления применятся уже с 70-х годов, практически все буровые компании имеют специальные карты, на них отмечены тепловые свойства грунтов в тех или иных районах в зависимости от глубины скважин. Поэтому вычислить общую глубину скважин можно опираясь на имеющиеся данные. У нас в стране, такие данные, к сожалению отсутствуют. Поэтому мы вынуждены опираться на опыт окружающей нас Европы. По разным данным средний коэффициент теплоотдающей способности грунта при вертикальном бурении составляет 50 Вт на метр погонный. Цифра проверена в разных районах московской области, доверять ей вполне можно. Из полученного опыта можно сказать следующее: Конечно, эта величина напрямую зависит от степени влагонасыщенности грунта и скорости фильтрации грунтовых и подземных вод. Чем влаги больше, тем лучше. Определять с точностью до Ватта теплоотдающую способность грунта имеет смысл только на очень крупных, как правило, промышленных проектах.
Таким образом, получается, что в нашем с Вами случае нам понадобится пробурить в общей сложности: 12000Вт:50Вт=240м.п.
Для того чтобы перейти к следующему шагу давайте рассмотрим основные наиболее распространенные способы устройства скважин. Диаметры скважин обычно составляют 120-200мм.
В скважины опускают систему трубопроводов из полиэтилена. Называют такую систему трубопроводов – геотермальный зонд. На этом этапе остановимся поподробнее и обратим наше внимание на некоторые аспекты.
- МАТЕРИАЛ. К сожалению, немногие Заказчики обращают внимание на характеристики полиэтиленовой трубы (далее геозонда), опускаемой порой на глубину 100 и более метров. В процессе бурения на большие глубины встречаются разнообразные грунты и включения в виде камней, и иных твердых пород. При их физическом разрушении остаются острые и рваные края. Скважины при больших глубинах не получаются строго вертикальными, а полиэтиленовая труба из которой изготовлен геозонд, пластична. Поэтому, при опускании в скважину стенки геозонда трутся о стенки скважины и это первая опасность повреждения трубопровода. Вывод, который напрашивается сам собой, применять наиболее качественный материал при изготовлении геозонда. Наиболее подходящим для этого является труба полиэтиленовая ПЭ 100 SDR 11 PN 16. На сегодняшний день это один из самых доступных материалов и в смысле качества и в смысле цены. Однако найти трубу с такими характеристиками на рынке Вам вряд ли удастся. Обычно такие трубы делают под конкретный Заказ. Не поленитесь спросить у компании предоставляющей Вам услугу, из какого материала сделаны Ваши трубы. Маркировку на трубы наносят все уважающие себя производители этого продукта.
- Второй и не менее важный аспект: устройство в нижней части геозонда, так называемого элемента возврата. Здесь не должно быть никаких соединений на гайках пакле и т.п. Только электросварные элементы специально предназначенные для этих целей или элементы стыковой сварки в заводских условиях. То же самое можно сказать и обо всех соединительных элементах трубопроводов использующихся для последующей разводки коммуникаций под землей.
- Конструкция трубопроводов (геозондов): пожалуй, самые распространенные варианты этих систем изготавливаются из труб 25,32 или 40-го наружного диаметра. В зависимости от разных характеристик в скважину устанавливается одна или две U – образные петли трубопроводов необходимой длины.
- И пожалуй, самое важное – опрессовка системы. Давление в системе ввиду ее особенностей на протяжении всего срока эксплуатации не будет выше двух атмосфер. Тем не менее, проверив систему под более высоким давлением перед ее приемкой и засыпкой, вы сможете быть уверены в целостности всех трубопроводов и надежности соединений.
Количество скважин определяется двумя основными показателями – это гидравлический расчет системы трубопроводов находящихся в скважинах и глубина залегания известнякового горизонта -(уровень залегания породы “известняка” относительно поверхности).
Приблизительные данные о залегании известнякового горизонта в М.О. есть практически у каждой компании занимающейся этим видом работ. Почему именно до этого уровня можно бурить скважины на тепло земли? Объяснений этому несколько. Во-первых — технология бурения скважин на воду подразумевает под собой использование обсадных труб. Обсадные трубы изготавливаются из металла или пластика и устанавливаются в скважину, как правило, при достижении известнякового горизонта, чтобы предотвратить обрушение стенок скважины во время прохождения известняка из которого, собственно говоря, мы с Вами и черпаем неиссякаемый запас воды. Таким образом, получается, что в стоимость погонного метра пробуренной скважины входит и сама труба. В случае с геотермальными скважинами бурение, как правило, идет до известнякового горизонта, и в большинстве случаев без обсадной колонны. Поэтому что бы не делать, и без того дорогостоящее удовольствие еще дороже, скважины на тепло земли глубже, чем залегает известняковый горизонт обычно не делают.
Гидравлический расчет системы геозондов и магистральных трубопроводов делается исходя из характеристик теплового насоса и допустимых сопротивлений трубопроводов. В нашем случае хорошим вариантом станет следующая схема:
Допустим глубина залегания известнякового горизонта составила 80 м.п.
Три скважины глубиной 80м.п. обеспечат необходимые нам 240метров. Бурятся скважины на расстоянии 6 м. друг от друга.
В каждую из скважин устанавливается двойной (UU-образный) геотермальный зонд из труб 32 диаметра.
При такой схеме мы сможем обеспечить минимальные сопротивления трубопроводов, максимально эффективную работу стенок трубы в качестве теплообменной поверхности, а так же получить удобные параметры для регулировки системы трубопроводов.
А в случае если бы глубина залегания известнякового горизонта оказалась бы скажем 120 м. Могли бы тогда мы сделать две скважины по 120 м.? Такой вариант нежелателен, так как потребует установки более мощного циркуляционного насоса и мы проиграем в КПД работы установки в целом.
А если бы глубина оказалась, скажем, 60 м. можно ли сделать четыре скважин по 60 м? Да можно, однако регулировать такую систему будет несколько сложнее и дороже при несколько худшей эффективности.
Этот пример, мы привели Вам для того, чтобы Вы доверяли проведение работ и выполнение всех расчетов только квалифицированным специалистам. Доверять выполнение такой работы неизвестно кому, пожалуй не стоит.
Следующим немаловажным аспектом всей затеи является — тампонирование скважины. Тампонирование скважины – это заполнение пустот скважины между стенками геозондов установленных в скважины и стенками самой скважины. Во многом эффективность работы скважин в будущем, будет зависеть именно от того, насколько правильно были подобраны материалы при тампонировании, и каким образом оно было сделано. Проводить тампонирование геотермальных скважин необходимо снизу вверх, а не наоборот как это делают многие компании. В противном случае в скважине могут оставаться пустоты, которые впоследствии будут способствовать более худшей теплопередаче. Так же не надо забывать и об экологии. В процессе бурения скважин нарушается естественный процесс водообмена уровней. Вода с более высокого уровня — порой даже грунтовая, начинает поступать в более низкий например уровень колодцев, тем самым ухудшая качество нижней. При правильном тампонировании скважины этого не происходит.
Несмотря на все вышесказанное, грамотно сделанная система геотермальных скважин обладает рядом преимуществ по сравнению с другими способами извлечения тепла. Вот некоторые из них:
- Парк техники, оставленный большинству буровых компаний еще со времен СССР, которыми сейчас и производится в основном бурение на воду, может с легкостью осуществлять данный вид работ.
- Вся система на протяжении всего срока эксплуатации ( 70-100 лет) работает без дополнительных затрат на сервисное обслуживание. Надежность системы обеспечивают современные материалы и технологии при производстве трубопроводов и соединительных элементов. Для сравнения можно сказать, что все трубопроводы газовых коммуникаций, сделанные из металла, меняются сегодня на трубопроводы из полиэтилена.
- Система позволяет решить не только проблему обеспечения зданий и сооружений дешевым теплом, но и холодом в летний период времени. Тем самым универсальность системы позволяет сократить расходы на систему кондиционирования, как при ее монтаже, так и при ее эксплуатации.
К недостатком этого способа можно отнести, пожалуй лишь то, что для устройства скважин на Вашем участке потребуется заезд грузовой техники. Сами по себе буровые работы не назовешь очень чистыми. После проведения буровых работ предстоит небольшой объем земляных работ так как трубопроводы, идущие от всех скважин нужно ввести в то помещение где будет установлен тепловой насос. Поэтому лучше выполнять эти работы в начале строительства. Однако если у Вас старый дом который Вы собрались отремонтировать и заменить систему отопления, а ландшафтный дизайн Вас вполне устраивает, то тут придется чкорее всего чем-то пожертвовать.
Наряду с вертикальным бурением под угол 90°, применяется и бурение наклонных скважин, под угол 30-45°. Технология процесса самого бурения, не сильно отличается от вертикального, как и система трубопроводов находящихся в скважинах. Однако техники как и компаний которые могут осуществить данный вид работ на сегодняшний день единицы. К преимуществам это способа можно отнести то, что это позволяет пробурить из одной точки несколько скважин и при неглубоком уровне залегания известнякового горизонта набрать необходимый метраж скважин, дабы не дырявить весь участок. Стоимость услуг наклонного и вертикального бурения примерно одинаково.
В заключении хотелось бы подвести некий итог вышесказанному. Скважины на тепло земли – это не выдумка, а действительно высокотехнологичное инженерное решение, которое позволяет сделать энергоэффективной и экономичной систему отопления и охлаждения Вашего дома. Однако не стоит забывать о том, что и сам дом при этом должен быть достаточно теплым, дабы полученное тепло максимально долго сохранялось в Вашем жилище!
