Геотермальное бурение что это
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.
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.
Бурение геотермальных скважин
внешний, размещаемый на глубине в грунте;
контур системы домашнего отопления.
При этом, владельцу дома тоже важно знать и понимать, из каких этапов состоит этот процесс и что надо для его реализации.
Разведка грунта
Перед началом буровых работ обязательно проводится разведка грунта. Для этого в земле делается “прокол” небольшого диаметра глубиной до 100 метров. Он позволяет оценить:
глубину залегания грунтовых вод.
Также разведка грунта позволяет узнать, какая максимальная глубина скважины возможна. На некоторых участках можно сделать скважину глубиной до 150 метров, в то время, как на других глубина до 50-60 метров может быть максимальной.
Основные виды буровых работ
Геотермальные скважины для установки теплообменного контура теплонасосов могут выполнять несколькими способами. В зависимости от условий, для этого используются технологии вертикального или наклонного кластерного бурения.
Вертикальное бурение
Вертикальное бурение подразумевает создание глубоких сооружений (от 40 до 200 метров), что позволяет размещать внешние теплообменники тепловых насосов в слоях грунта с высокой теплоотдачей.
При разработке нескольких вертикальных скважин расстояние между ними должно быть не меньше 2-3 метров. Это гарантирует защиту от обрушения, совместной усадки и паразитного теплообмена.
Наклонное кластерное бурение
Этот способ буровых работ применяется, когда на участке нет места для размещения сетки вертикальных зондов. Последовательность работ следующая:
сначала выкапывается колодец глубиной до 4 метров, размером 2х2 метра;
в основании колодца устанавливается спецоборудование;
затем проводится бурение под углом от 30 до 90 градусов.
Эта технология позволяет компактно разместить нужное количество скважин (до 10) даже на маленьком участке. При этом, их направление друг от друга исключает любой паразитный теплообмен.
Расчет количества
Нужное количество геотермальных скважин зависит от нужной длины теплообменного контура. При этом учитывается, что 1 метр теплообменника может поглотить до 50 Вт тепла (усредненное значение). То есть, на эффективное отопление дома площадью 200 квадратных метров нужен контур длиной 400 метров.
Для размещения такого контура можно использовать, например, 4 скважины глубиной по 100 метров, 5 глубиной по 80 метров, или 8 глубиной по 50 метров.
Определение диаметра
Традиционно для создания геотермальных скважин используют буры диаметром 150 мм. Такого сечения достаточно для размещения двух труб диаметром до 40 мм и создания пространства между ними для защиты от паразитного теплообмена.
Нужное оборудование
Процесс бурения геотермальных скважин принципиально не отличается от бурения скважин на воду.
Поэтому буровые работы проводятся таким же способом и оборудованием, что и при классическом роторном бурении.
Для проведения буровых работ могут использоваться:
мощные установки, предназначенные для бурения на воду;
малогабаритные установки высокой мощности;
установки с веерным контуром для кластерного бурения под любым нужным углом.
Время, нужное для бурения одной скважины, зависит от нескольких критериев. В том числе:
мощности примененной буровой установки.
На одну скважину может уходить от 1 до 3 дней.
Типы геотермальных зондов
U-образный геозонд. Теплообменник, сформированный из двух прямолинейных участков пластиковой трубы, соединенных с помощью U-образного наконечника. Эта конструкция создает замкнутый контур, по которому свободно циркулирует теплоноситель.
Коаксиальный геозонд. Конструкция из двух труб разного диаметра. При этом, большая глушится снизу, а меньшая вставляется в нее. Охлажденный теплоноситель, идущий из дома, подается по трубе меньшего диаметра и, доходя до дна скважины, двигается в обратном направлении в полости между двух труб (образованной разницей диаметров).
При этом, цена таких конструкций выше аналогов, они менее надежны (из-за высокого риска повреждения медных трубок), а монтаж и обслуживание усложнено, поэтому используются они крайне редко.
Тампонирование скважины
Обустройство территории
После того, как вертикальный зонд будет установлен и будет проведено тампонирование, можно приступать к облагораживанию территории.
При этом надо знать несколько правил:
Участок, на котором расположены скважины и проложены трубы теплообменного контура нельзя засаживать и застраивать.
Срок службы геотермальной скважины, подключенной к тепловому насосу, зависит от материала используемой трубы. Так, при использовании трубопровода из нержавеющей стали скважина будет эффективной до 70 лет. При установке теплообменника из ПВХ-труб срок эффективной службы составит до 50-60 лет.
Благодаря такой долговечности, начальные затраты на бурение гарантированно окупаются.
Для проведения буровых работ могут потребоваться разрешения и планы от специальных организаций. Этот вопрос нужно согласовать перед началом работ.
При использовании нескольких скважин они должны соединяться между собой траншеями глубиной не меньше 1.5 метра.
После нескольких месяцев использования теплоотдача скважины может уменьшиться. Это связано сразу с несколькими процессами, но потом показатель теплоотдачи стабилизируется.
Устройство и бурение скважины для теплового насоса
Энергоэффективность геотермального насоса, работающего по принципу земля-вода, зависит от правильного расположения, глубины, диаметра скважин для укладки первичного контура. Предварительно проводятся расчеты, помогающие установить глубину залегания зондов и их расположение.
Выполненная с соблюдением рекомендаций производителя и строительных норм, скважина для теплового насоса обеспечит достаточным количеством энергии, чтобы прогреть частный дом и удовлетворить потребности в ГВС.
Устройство и принцип работы скважины теплонасоса
Автономное независимое отопление дома от скважины с тепловым насосом состоит из двух контуров:
Существует несколько типов первичного контура, отличающихся технологией бурения геотермальных скважин для тепловых насосов. Наиболее подходящий вид скважины определяется в зависимости от мощности тепловой станции и фактических ожидаемых затратах энергии зданием.
Проведение работ по бурению скважин под геотермальный тепловой насос начинается с составления проектной документации и проведения геодезического аудита на участке.
Виды скважин для подключения теплонасоса
Существует три основных типа решений, используемых для укладки геотермального первичного контура. Способы бурения скважин рассчитывают исходя из нескольких параметров:
Работы выполняют следующим образом:
Какое количество скважин нужно для работы теплового насоса
Необходимое количество скважин высчитывают исходя из типа грунта и производительности оборудования. Большую теплоотдачу обеспечивает земельный участок с неглубоким прохождением подземных вод, наименьший процент тепла можно получить из песка.
Расчет скважины теплонасоса выполняется в согласии со следующими параметрами:
Глубина скважины для теплонасоса рассчитывается следующим образом:
Если планируется уложить горизонтальный трубопровод, расчеты проводят несколько другим способом:
Срок службы скважины под теплонасос
Производя расчет стоимости бурения необходимо учитывать, что минимальное время эксплуатации геотермального первичного зонда составляет не менее 50 лет. На время службы влияет то, какая труба используется для изготовления коллектора.
Расчетный срок эксплуатации нержавеющего металла составляет 70 лет, полимер прослужит 50-60 лет. В первый год укладки коллектора возможно проседание, требующее дополнительной корректировки и исправлений. В остальное время первичный контур будет работать с полной теплоотдачей и эффективностью.
Первоначальные затраты, отпугивающие потенциального покупателя, на самом деле полностью окупятся благодаря длительному сроку эксплуатации как самого насоса, так и геотермального контура.
Бурение скважин для системы тепловых насосов
Устройство скважины лучше доверить профессиональной монтажной организации. Оптимально, чтобы этим занимались представители компании, продающей теплонасос. Так, можно учесть все нюансы бурения и расположения зондов от строения, выполнить другие требования.
Специализированная организация поспособствует получению разрешения на бурение скважины под зонды для грунтового теплового насоса. Согласно законодательству, использование грунтовых вод в хозяйственных целях запрещено. Речь идет об использовании в любых целях вод, расположенных ниже первого водоносного горизонта.
Как правило, процедура бурения вертикальных систем должна быть согласована с органами государственной администрации. Отсутствие разрешений ведет к штрафным санкциям.
После получения всех необходимых документов начинаются монтажные работы, согласно следующему порядку:
Какая глубина скважины должна быть
Глубина рассчитывается исходя из нескольких факторов:
Создание геотермальных скважин – сложный технический процесс. Все работы, начиная с проектной документации и заканчивая введением теплового насоса в эксплуатацию должны выполнять исключительно специалисты.
Чтобы подсчитать приблизительную стоимость работ используют он-лайн калькуляторы. Программы помогают высчитать объем воды в скважине (влияет на количество необходимого пропиленгликоля) ее глубину и выполнить остальные расчеты.
Чем заполнить скважину
Выбор материалов зачастую полностью ложится на самих хозяев. Подрядная организация может советовать обратить внимание на тип трубы и рекомендовать состав для заполнения скважины, но окончательное решение придется принимать самостоятельно. Какие есть варианты?
Что лучше для теплового насоса – земляной коллектор или скважина
Технические характеристики скважины выглядят привлекательней, но проведение работ по бурению грунта невозможно выполнить без специализированного оборудования и техники. Горизонтальный коллектор можно уложить самостоятельно, но забор тепла от земли будет меньше практически в 2 раза.
Применение скважины оправдано еще по той причине, что это не отражается на ландшафтном дизайне. Так, сверху горизонтального контура запрещается сажать деревья с глубокой корневой системой, к вертикальному коллектору подобные требования не предъявляются.
Устройство геотермальной скважины ТН, выполненной с наклонным направлением, вариант практически не имеющий недостатков и лишен всех минусов, присущих остальным вариантам. Размещается всего на 4 м² и обеспечивает максимальную теплоотдачу.
Затраты на бурение окупаются уже через 3-8 лет. Вариант со скважинами полностью оправдан и эффективен, несмотря на то, что потребуются первоначальные вложения средств.
Геотермальное бурение что это
Люди в современном мире привыкли пользоваться дорогостоящими энергоносителями, забывая о том, что мать-земля сама имеет доступное всем тепло. Надо только знать, как его правильно использовать. Сегодня новейшие технологии позволяют наиболее эффективно использовать неиссякаемое тепло земли для обогрева загородного дома или дачи.
Бурение геотермальной скважины для теплового насоса
– это прекрасное решение для создания уюта и тепла в частном доме в холодное время года и приятной прохлады в жаркие дни лета. К тому же это позволит собственнику жилья значительно сократить расходы на отопление и горячее водоснабжение.
Земля на определенной глубине постоянно сохраняет свое тепло, и температура там всегда остается положительной, даже если на поверхности лежит снег и стоят сильные морозы. Такое уникальное свойство земли не зависит даже от типа грунта на определенной местности, поэтому получать неисчерпаемое тепло земли можно бесконечно, установив лишь тепловой насос в геотермальную скважину. К тому же агрегат можно использовать в любой среде – мягких, твердых грунтах и даже в воде.
Сам принцип бурения геотермальных скважин практически не отличается от бурения скважин на воду. Надо отметить, что затраты на такое скважину даже ниже.
Как правило, бурение геотермальных скважин выполняется малогабаритной буровой установкой и другой землеройной техникой, которой можно выполнить работу даже на уже обустроенных земельных участках, практически не нанося вреда существующему ландшафту. Бурение может быть произведено разными методами – пустотелым шнеком, с пневмоударником или с промывкой. Это зависит от геологического разреза и самого назначения скважины. При бурении геотермальных скважин применяются самые новейшие достижения и технологии, обязательно соблюдаются все правила техники безопасности и используются только экологически чистые материалы. Скважину бурят не ближе двух с половиной метров от строений, ее глубина может составлять от 50 до 200 метров. Потом проводят разработку грунта под устройство, монтируют коллектор теплового насоса, изготавливают и устанавливают зонд.
Принцип действия теплового насоса
Говоря простым языком, он работает как домашний холодильник, только совершенно наоборот. Циркуляционный насос прокачивает жидкость по наружному трубопроводу. Эта рабочая жидкость забирает тепло окружающего грунта (примерно 7 градусов) и попадает теплообменник (испаритель). В испарителе находится хладагент, который закипает даже при небольшой температуре и превращается в пар. Пар попадает в компрессор, где сильно сжимается до высокой температуры и давления. Затем он переходит во второй теплообменник (конденсатор). Там происходит теплообмен – горячий газ отдает свое тепло теплоносителю, который подключен к системе отопления и горячего водоснабжения дома. Газ охлаждается, отдавая тепло, и переходит снова в жидкое состояние.
Преимущества геотермального теплового насоса
Он высокоэффективен и имеет максимальные стабильные характеристики, которые не зависят от времени года и погодных условий. Тепловой насос обеспечивает комфортные условия в доме, он долговечен и практически не требует ухода. Собственник жилья может использовать его оборудование, как для обогрева помещения, так и для охлаждения. Тепловой насос потребляет совсем небольшое количество электроэнергии, что немаловажно при оплате счетов за электричество. Он прост в использовании, не взрывоопасен и пожаробезопасен.
Отопление и горячее водоснабжение загородного дома с помощью геотермальных тепловых насосов становится все популярнее в нашей стране. Хотя такое оборудование порядком дороже котельного, все же преимуществ в такой системе отопления и горячего водоснабжения намного больше. Тепловой насос независим и автономен – требуется лишь электричество, к тому же за природное тепло земли, в отличие от газа, платить не нужно.
Тепловой насос это отопительный прибор, для работы которого требуется источник тепла. Таким источником для геотермального теплового насоса является грунт вокруг дома или строения, именно поэтому он называется «геотермальным» (в переводе с греческого «гео» означает земля). Тепловой насос использует массив грунта как большой теплоаккумулятор «перекачивая» тепло из источника преобразуя довольно низкую температуру (в грунте, ниже 1.6 метра постоянно около +8 градусов) в более высокую, подходящую для нагрева системы отопления. Принцип работы теплового насоса.
Геотермальный контур представляет собой несколько петель из пластиковой трубы уложенные в грунте ниже глубины промерзания. Кратко работа геотермального контура выглядит следующим образом:
Существует несколько способов уложить трубу в грунт, но сделать это аккуратно и с минимальными разрушениями на участке возможно только с технологией наклонно-кластерного бурения скважин Мы используем ТОЛЬКО такую технологию.
Ниже краткое описание преимуществ и недостатков несколько видов геотермальных контуров.
Горизонтальный геотермальный контур.
На участке выкапывают траншеи на расстоянии 1 метра друг от друга. В траншеи укладывают пластиковые трубы и засыпают (похоже на «тёплый пол», только уложенный в грунте).
К недостаткам можно отнести следующее:
На первой фотографии с просторов Интернета видно как производится укладка горизонтального геотермального контура, а на второй ремонт просевшей дорожки в том месте, где проходит траншея.
Метод с горизонтальным геотермальным контуром подходит в том случае, если есть «лишний» участок земли на котором благоустройство не будет вестись ближайшие 5 лет и строений на нём не предусматривается.
Вертикальный геотермальный контур.
Такой вид геотермального контура пришёл на смену вертикальному бурению именно из-за аккуратности выполнения работ и после появления специализированных буровых установок. Обозначение «наклонный» говорит о бурении наклонной скважины (например, под углом 45 градусов к горизонту), а кластерный означает «имеющий общее начало». Для выполнения работ по такой технологии в грунт закапывают бетонное кольцо диаметром 1.5 метра и на нём монтируют компактную буровую установку. Далее, внутри бетонного кольца бурят наклонную скважину и опускают в неё геотермальный зонд. После окончания бурения первой скважины буровую установку поворачивают вокруг вертикальной оси на кольце и бурят следующую скважину и так далее, до достижения необходимого общего метража зондов.
Начиная с 2010 года компания EnergyLEX разрабатывает специализированные буровые установки для геотермального бурения. Для того, чтобы воплотить в жизнь технологию позволяющую производить буровые работы аккуратно и не разрушая участок пришлось прилично постараться и на сегодняшний день итогом этих стараний стало получение международного патента на изобретение технологии «Способ установки геотермальных теплообменников для извлечения низкопотенциального тепла» описание патента.
Модульная и компактная буровая установка занимает мало места.
После окончания работ на поверхности остался только зелёный люк.
Классификация геотермальных зондов, виды монтажа и «замораживание» грунта.
U-образный «классический» зонд.
Геотермальный зонд представляет собой компактный вариант петли из трубы для удобства опускания в скважину. По своей сути зонд является теплообменником передающим тепло из грунта через стенку трубы теплоносителю циркулирующему в зонде. При всей кажущейся простоте исполнения (вроде ничего сложного, одна труба вниз, вторая вверх) существует масса отличий как в конструкции зонда, так и в материалах для его изготовления.
Классическим вариантом считается U-образный зонд состоящий из двух пластиковых труб и наконечника для соединения этих труб внизу зонда.
Конструкция логически понятная, а наконечник нужен для более плотного расположения двух основных труб в скважине. Не секрет, что чем больше диаметр бурения скважины, тем больше расходуется ресурсов для бурения и тем выше стоимость бурения. Поэтому плотное расположение труб нужно для уменьшения диаметра бурения. Однако, при определённых режимах работы именно плотное расположение этих труб в «классическом» зонде негативно сказывается на способности передавать тепло и ухудшает работу зонда.
Грунт обжимающий зонд имеет неоднородную структуру состоящую из разного вида глин, песков, минералов и прочего (может даже гранит), а так же воды. Теплопроводность средних по составу глин составляет около 2 Вт/мК. При работе зонда в отрицательных температурах поверхность труб будет тоже иметь температуру ниже нуля градусов и вода входящая в состав грунта начнёт намерзать на трубе образуя лёд. Теплопроводность льда 2.34 Вт/мК, что немного больше, чем у среднестатистической глины. Если до этого между двумя трубами был небольшой теплообмен (порядка 30%), то после образования льда между трубами U-образного зонда увеличивается «паразитный» теплообмен между трубами зонда и несколько ухудшаются его характеристики как теплообменника. Частичным решением этой ситуации является установка пластиковых распорок между трубами зонда при его монтаже в скважину для «разведение» труб на максимально возможное в расстояние в скважине.
Коаксиальный зонд.
Есть ещё одна особенность при работе коаксиальных зондов именно из-за которой мы их и применяем при технологии наклонно-кластерного бурения. Об этой особенности будет ниже.
Виды монтажа геотермальных зондов и мифы про «замораживание» грунта.
Горизонтальные скважины используются редко в связи с дороговизной горизонтально-направленного бурения и малой эффективностью самих зондов. Такая технология существует, но обоснованна к использованию только при наличии сильно обводнённого песка на глубинах 5-8 метров.
Технология наклонно-кластерного бурения и два вида зондов.
Мы применяем ТОЛЬКО коаксиальные зонды зонды при наклонно-кластерном бурении из одного колодца!
Только с такими зондами зона вокруг колодца не замораживается и нет никаких проблем с ростом травы и деревьев. Мы это подтверждаем 9-ти летней практикой.
Использование U-образных зондов совместно с технологией наклонно-кластерного бурения приведёт к вымораживанию зоны вокруг колодца на расстоянии до нескольких метров от колодца!
Связанно это с близким расположением подающих холодных труб в колодце. На рис.№1 синими стрелочками показаны холодные трубы выходящие из колодца. Расстояние между ними в колодце 15-20 см. Такого недостатка лишён коаксиальный зонд, он конструктивно работает иначе. На рис.№2 синими стрелочками показаны внутренние утеплённые трубы зонда, а красными наружная труба зонда приходящая в колодец.
Подача холодного теплоносителя производится во внутреннюю утеплённую трубу зонда, в которой теплоноситель с низкой температурой течёт до самого низа зонда и только потом, изменив направление потока, начинает подниматься вверх охлаждая грунт. Самая холодная часть у коаксиального зонда это нижняя часть на глубине 25-35 метров, но при этом вокруг этой части зонда находиться самый большой объём грунта готовый передать тепло. Теплоноситель поднимаясь по коаксиальному зонду вверх подогревается через стенку внешней трубы и на подходе к колодцу имеет максимально тёплую температуру, поэтому зона вокруг колодца не вымораживается.
Рисунок №1 Рисунок №2
Ещё одной интересной особенностью применения наклонного зонда является его бОльшая протяжённость в водонасыщенных слоях с большим количеством тепла, по сравнению с вертикальным.
На рисунке №3 видно, что вертикальный зонд проходя по водонасыщенному слою имеет протяжённость 3 метра, в то время как наклонный зонд 5 метров.