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 м2 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 oC, 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 oC, 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 < 25
Влажный песок 65-80
Нормальный твердый грунт 60
Глина 35-50
Известняк (массив) 55-70
Песчаник 65-80
Окисленные вулканические породы 65-80
Щелочные вулканические породы 40-65

Табл. 1 Приблизительная теплотдача различных грунтов и каменных пород

От типа грунта зависит и глубина точки промерзания, хотя для этого достаточно обратиться к соответствующей справочной информации по близлежащему крупному населенному пункту. Чем глубже находится точка промерзания, тем дороже будет стоимость установки геотермально отопления дома или производственного объекта.

Город I II III IV V VI VII VIII IX X XI XII
Архангельск 4,0 3,5 3,1 2,7 2,5 3,0 4,5 6,0 7,1 7,0 6,1 4,9
Астрахань 7,5 6,1 5,9 7,3 11 14,6 17,4 19,1 19,1 16,7 13,6 10,2
Барнаул 2,6 1,7 1,2 1,4 4,3 8,2 11,0 12,4 11,6 9,2 6,2 3,9
Братск 0,4 -0,2 -0,6 -0,5 -0,2 0 3,0 6,8 7,2 5,4 2,9 1,4
Владивосток 3,7 2,0 1,2 1,0 1,5 5,3 9,1 12,4 13,8 12,7 9,7 6,4
Иркутск -0,8 -2,8 -2,7 -1,1 -0,5 -0,2 1,7 5,0 6,7 5,6 3,2 1,2
Магадан -6,5 -8,0 -8,8 -8,7 -3,9 -2,6 -0,8 0,1 0,4 0,1 -0,2 -2,0
Москва 3,8 3,2 2,7 3,0 6,2 9,6 12,1 13,4 12,5 10,1 7,3 5,0
Мурманск 0,7 0,3 0 -0,3 -0,3 0,2 4,0 6,7 6,6 4,2 2,7 1,0
Новосибирск 2,1 1,2 0,6 0,5 1,3 5,0 9,1 11,3 10,9 8,8 5,8 3,6
Оренбург 4,1 2,6 1,9 2,2 4,9 8,0 10,7 12,4 12,6 11,2 8,6 6,0
Пермь 2,9 2,3 1,9 1,6 3,4 7,2 10,5 12,1 11,5 9,0 6,0 4,0
Петропавловск-
Камчатский
2,6 1,9 1,5 1,1 1,2 3,4 6,7 9,1 9,6 8,3 5,6 3,8
Ростов-на-Дону 8,0 6,6 5,9 6,8 9,9 12,9 15,5 17,3 17,5 15,8 13,0 10,0
Салехард 1,6 1,0 0,7 0,5 0,4 0,9 3,9 6,8 7,1 5,6 3,5 2,3
Сочи 11,2 9,8 9,6 11,0 13,4 16,2 18,9 20,8 21,0 19,2 16,8 13,5
Хабаровск 0,3 -1,8 -2,3 -1,1 -0,4 2,5 9,5 13,3 13,5 10,9 6,7 3,0
Якутск -5,6 -7,4 -7,9 -7,0 -4,1 -1,8 0,3 1,5 1,1 0,1 -0,1 -2,4
Ярославль 2,8 2,2 1,9 1,7 3,9 7,8 10,7 12,4 11,5 9,5 6,3 3,9

Табл. 2 Средняя температура (oC) 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 м2 и зависит от величины тепловой мощности, необходимой для отопления или кондиционирования объекта. В среднем на каждые 100 м2 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 oC, для южных регионов характерно значение +18 oC. 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.

Хочешь получить бесплатную консультацию специалиста?
0