Скважина для теплового насоса

Скважина для теплового насоса

Постройка частного дома, коттеджа, да и вообще любого малоэтажного жилья заставляет задуматься о его отопительной системе. Актуальный способ – использование для отопления геотермального теплового насоса.

Существует несколько типов тепловых насосов, различающихся по способу производства тепла. К популярным способам относят ТН с применением горизонтального контура с забором воды с поверхности водоема или с водяным контуром с использованием водяной скважины.

Создание отопления с помощью теплового насоса на водяном контуре часто становится очень актуальным и выгодным по сравнению с геотермальным контуром. Почему? Ответ самый простой.

Достаточно пробурить водяную скважину на глубину от 10 до 100 метров, где найдется водоносный пласт, и пользоваться скважиной для работы ТН. Вода считается более эффективным теплоносителем, чем просто использование тепла грунта.

Для создания горизонтального контура требуется наличие участка большой площади. Для геотермального контура может понадобиться пробурить достаточно большое количество скважин. Возможностей для их бурения может не оказаться. Элементарно, могут отсутствовать подъездные пути для доставки буровой установки. Для монтажа ТН с получением тепла от грунтовых вод или водоносного пласта требуется пробурить всего две скважины. Одну для забора воды, другую для сброса отработанной воды. Это намного более легкое и менее затратное в экономическом плане действие.

Существует ряд возражений, касающихся бытовых тепловых насосов. Попробуем развенчать их на примере использования тепловых насосов Ovanter.

Возражение 1

Скептики утверждают, что грунтовая вода, используемая для тепловых насосов, не относится к возобновляемым источникам энергии.

Грунтовая вода – идеальная подпитка энергией теплового насоса. Температура грунтовой воды круглый год составляет примерно от +4 до +7оС. Она соответствует большинству регионов в России и никогда не падает ниже этого значения. Помимо водяной скважины источником энергии для земляного теплового насоса с водяным контуром может считаться: поверхностная вода или, если присутствуют, сточные или биологические воды, поступающие от очистных сооружений или сбрасываемые жидкости из промышленных стоков.

Основные виды воды, способной служить источником тепловой энергии для ТН с водяным циклом.

  • Подпочвенные воды – температура в разных географических районах от +4 до +10оС;
  • Морская вода – температура на глубине от 25 до 50 метров колеблется в пределах от +5 до +8оС;
  • Грунтовые воды – отличаются наиболее стабильной температурой;
  • Ближайший водоем (река, озеро, глубокий пруд). Контур укладывается на дно водоема или притапливается на глубину до 2 метров. К слову, 1 метр трубопровода, используемого для такого контура, соответствует 30 Вт тепловой мощности.

Чем выше температура грунта, тем более повышается тепловой коэффициент (СОР), тем меньше электроэнергии тратится на работу теплового насоса на производство теплоты.

Возражение 2

Для тепловых насосов с горизонтальным контуром необходимо учитывать фактор охлаждения грунта.

На самом деле интенсивное использование геотермального тепла грунта влечет остывание почвы вокруг регистра труб системы теплосбора. Например, в северных регионах за короткий летний период грунт не успевает набрать нужную температуру. Поэтому зачастую, на начало следующего зимнего периода грунт выходит с пониженным тепловым потенциалом.

Понижение температуры грунта носит экспоненциальный (возрастающий) характер. Поэтому примерно через 5 лет эксплуатации системы теплоснабжения, тепловое состояние грунта после понижения температуры улучшается и выходит на относительно устойчивый уровень. Однако он будет все равно меньше естественного на 1 – 2оС. Выход из положения находится. При проектировании системы теплоснабжения важно учитывать возможное охлаждение грунта в процессе ее эксплуатации.

Существует еще такой выход. Тепловые насосы, потребляющие тепловую энергию из грунтовых вод и водоносных пластов или из открытых водоемов, создают более стабильную систему теплоснабжения с устойчивой температурой. Пример, использование российских тепловых насосов Ovanter. Насосы этой фирмы работают в открытых системах грунтовых вод, где происходит постоянный водообмен. Пополнение грунтовых вод происходит за счет следующих источников, представляющих собой:

  1. Воду, просачивающуюся с поверхности почвы;
  2. Воду, которая поступает из более глубоких грунтовых слоев.

Теплосодержание грунтовых вод практически никогда не иссякает и подпитывается и «сверху», и «снизу».

Таким образом, эффективность зависит от толщины и глубины нахождения водоносного слоя. Температура водоносного слоя остается постоянной и не изменяется в течение всего периода. Практика строительства подобных систем свидетельствует, что максимальный температурный градиент в общей толще грунта в течение всего времени эксплуатации не превышает, как правило, 8-10 град/м. Значит, перепады температур будут очень малы. Значение температурного градиента наблюдается по вертикали и именно в том направлении, в котором более всего наблюдается интенсивность потока жидкости. Она компенсирует миграцию влаги под воздействием термоградиентных сил. Таким образом, система сбора низкопотенциального тепла грунта под влиянием потоков влаги в грунтовых порах в общем массиве не нуждается в особой точности математических расчетов.

Возражение 3

Получение воды из скважины нуждается в бурении и некоторого, зачастую большого, количества трубопровода. Если вода низкого качества, это влечет появление солевых отложений и коррозии на стенках труб.

Современные технологии позволили найти решение по защите трубопровода от коррозии. Эффективным способом борьбы с коррозией считается применение пластиковых труб. Это самый действенный вариант в создании отопительной системы с мощными тепловыми насосами, способными работать со скважинами глубиной до 70 и более метров. Для трубопровода используются дешевые пластиковые трубы.

Возражение 4

Проблема сброса воды после того, как вода прошла через теплообменник.

У кого-то может возникнуть вопрос: куда девать сброшенную воду? Сбросная вода, например, промышленных объектов может также использоваться в качестве источника энергии для тепловых насосов.

Сбросная вода, используемая для ТН частного дома, согласно технологическим условиям обязательно должна уходить в соседнюю скважину, расположенную на расчетном расстоянии от основной скважины и обратно в пласт.

Рис. №1. Схема использования теплового насоса открытого типа с отбором теплоты грунтовых вод. На схеме хорошо видно скважину для сброса воды.

Законодательные акты в виде Федеральных норм и правил обусловливают условия сброса воды и подводят под действия частных лиц юридическое обоснование. Кроме того, сброс воды при использовании в системе ТН не считается экологически вредным. Выброс вредных примесей в окружающую среду отсутствует.

Возражение 5

Зависимость работы ТН от дебета скважины и аккумуляция возобновляемых запасов воды в дополнительном баке.

Со временем количество воды в скважине может уменьшаться, а качество якобы ухудшается.

Однако даже со временем, доставая воду со скважины глубиной до 70 и более метров объемом 3 – 5 м3/час, количество воды не уменьшается. Свойства воды, благодаря протоке во многом улучшаются

Вода может аккумулироваться в дополнительном резервуаре (баке для хранения запаса воды). В этом случае вода может использоваться без применения теплообменника. Например, использование бака аккумулятора емкостью 300 литров дает возможность копить тепловую энергию и выравнивает скачкообразное использование воды. Кроме того, ряд необходимых и дополнительных элементов в системе повышают ее качество, надежность и безотказность.

Тепловой насос совместно со скважинным насосом представляют собой мощную установку для подъема воды. При подъеме на поверхность вода разделяется. Часть воды используется для отопления. Другая часть воды, проходя через систему механической фильтрации, применяется для бытовых нужд. Если дом входит в категорию малоэтажных строений, можно брать воду для внутреннего потребления даже без использования дополнительной насосной станции.

Завязка в системе геотермального теплового насоса таких элементов как испаритель, компрессор, конденсатор, дроссель и теплообменник служит для приготовления воды для ГВС. Они замкнуты с помощью стального трубопровода с циркулирующим по нему хладагентом.

Солнечный коллектор для подогрева воды в аккумуляторе увеличивает эффективность системы отопления и горячего водоснабжения. Он, как и электронагреватель может служить для покрытия пиковых нагрузок.

В частности, эффективным средством для этого считается использование системы такого теплообменника, как фанкойл.

Возражение 6

Кто-то может сказать, что при использовании воды из скважины существует опасность загрязнения теплообменников, а расходники для очистки воды стоят дорого.

Проходя по трубопроводу при скорости протоки от 1,2 до 5 м3/ч, вода уже очищается. Превышения марганца и железа, которые могут вызвать закупорку и снизить эффективность процесса теплообмена контролируются. Вода, проходя через фильтр грубой очистки и теплообменник, не нагревается и не взаимодействует с кислородом, поэтому не дает осадка.

Фильтрация способствуют очищению воды. Расходные материалы для фильтра грубой очистки стоят не дорого и находятся в свободной продаже.

Возражение 7

Использование ТН только для малоэтажных построек.

Это предубеждение, что тепловые насосы с использованием водяной скважины невозможно применять для производственных и складских помещений или для высоких построек. Якобы, существующая мощность тепловых насосов теряет свою эффективность после того, как вода поднята с глубины 100 м.

Забор тепловой энергии из глубокой скважины – да. Он способен снабдить теплом только малоэтажные строения. Однако, ведь существует возможность брать воду для контура и из открытого водоема. В этом случае КПД теплового насоса повышается в разы.

Вывод: Бытовой тепловой насос с использованием воды из скважины может считаться наиболее актуальным и эффективным устройством для частного малоэтажного домостроения, производственных объектов и достаточно крупных жилых комплексов. При использовании грунтовой воды эффективность коэффициента преобразователя (СОР) может достигать 5, что позволяет производить добавочные 3-4 кВт тепловой энергии. Пример: тепловые насосы Ovanter класса Премиум.

Тепловой насос – это естественный источник тепловой энергии с выгодными экономическими и экологическими качествами, отличающийся и не зависящий от традиционных видов отопления.

Выбор теплового насоса с определенным циклом, в нашем случае это вода, строится на основании расчетов при создании технико-экономического проекта и возможности полноценного использования предоставленных условий окружающей среды.

Геотермальный источник — это место выхода на земную поверхность подземных вод, имеющих высокую температуру (выше +20 °C). Но могут считаться таковыми и места, в которых температура выше среднегодовой температуры данного региона.

Хоть это и не совсем правильно, но чаще используется другое название таких мест — Горячие источники. А иногда их ещё называют термальными. Впрочем, разницы между всеми этими названиями никакой нет, так что не принципиально.

Польза термальных источников

Многие термальные источники обладают повышенным содержанием минеральных веществ. Поэтому нет ничего удивительного в том, что они используются в лечебных целях. Обычное купание в таких местах может принести значительную пользу организму. Однако, зависит это от состава вод источника, а он в разных местах может очень сильно разниться. Поэтому, если вы желаете получить наибольшую пользу для здоровья, лучше сначала посоветоваться со специалистом, и выбрать тот источник, который будет наиболее полезен для вас.

Помимо этого, используются горячие источники и для получения энергии. Особенно ценными в этом плане являются те из них, температура которых близка к 100 °C, хотя могут использоваться и не столь горячие. Геотермальная электроэнергия имеет большое значение для многих стран.

Низкопотенциальный контур для теплового насоса повышенной мощности.

Тепловой насос производит в 3-5 раз больше тепла, чем потребляет электроэнергии.

Это происходит за счет того, что большую часть необходимого тепла тепловой насос получает от окружающей среды. Это может быть атмосферный воздух, грунт, грунтовая вода, вода рек, озер, морей. Чем выше температура источника теплоты, тем выше эффективность и экономичность теплового насоса.

Зимой температура грунтовых вод и самого грунта, расположенного ниже глубины промерзания, положительная. Температура атмосферного воздуха зимой сильно зависит от региона. Исходя из этих соображений и учитывая местные условия проектируют и обустраивают низкотемпературный контур теплового насоса.

Чтобы в течении всего отопительного сезона гарантированно получать от окружающей среды необходимое количество теплоты требуется соблюдать определённые условия и ограничения.

Если используется горизонтальный грунтовый контур, то каждый его квадратный метр площади не может в продолжительном режиме ( в течении всего отопительного сезона) отдавать выше 10-20 Вт в зависимости от состава пород, чтобы не уйти в сильно отрицательные температуры. Вертикальный грунтовый зонд позволяет производить более интенсивный теплоотбор, до 35-50 Вт с погонного метра. Для получения каждых 10 кВт требуется выделить участок под закладку горизонтального грунтового контура площадью от 500 до 800-1000 квадратных метров (в зависимости состава залегающих пород) и соответственно закопать на этом участке не менее 500-1000 погонных метров трубы с шагом около 1м. Для вертикальных грунтовых зондов на каждые 10 кВт потребуется суммарно 200-300 погонных метров скважин, с расстоянием между соседними скважинами не менее 6-7 метров.

Площади прилегающих территорий частных домостроений для размещения необходимого количества даже горизонтальных грунтовых коллекторов чаще всего хватает. Для промышленных объектов эта задача усложняется. Даже небольшое, по промышленным масштабам здание в 1,5 тысячи квадратных метров требует для отопления и вентиляции около 150 кВт тепла. Для горизонтального грунтового коллектора может потребоваться выделить площадь более гектара (свыше 10000 кв.м).

Вертикальных зондов понадобится общей глубиной 3,5-4 километра, которые могут занять площадь до 0,5 Га в зависимости от количества и глубины бурения.

В этом случае может спасти ситуацию наклонное бурение под геотермальные коаксиальные зонды. Бурение и установка геотермального коаксиального зонда 50мм (подающая) и 32 мм (обратка) может осуществляется под углом от 20 до 90 градусов к горизонту и с интервалом от 10 градусов по азимуту.

Бурение может осуществлено из 1 места или нескольких точек при необходимости. Возможен частичный заход зондов под прилегающие соседние территории (дороги, пустыри)

2 точки на схеме представляют из себя 2 колодца из бетонных колец, диаметром 2 м и глубиной 1,80м, от колодцев будет проложены магистрали до места установки теплового насоса.

Геотермальные зонды могут устанавливаться в три яруса по 25 шт. в каждом ярусе с интервалом в 14 градусов по азимуту

Первый ярус установка на глубину до 10м, под углом 20 градусов к горизонту, длинной 33-35м

второй ярус установка на глубину до 20 м, под углом 35 градусов к горизонту, длинной 38-40м

третий ярус установка на глубину до 30м, под углом 50 градусов к горизонту, длинной 42-45м.

Коаксиальный геотермальный зонд выполнен из внешней ПНД трубы диаметром 50 мм с толщиной стенки 3 мм и внутренней ПНД трубой диаметром 32 мм.

При отсутствии места для требуемого количества грунтовых зондов, в качестве источника тепла можно использовать грунтовую воду из скважины. Бурение на воду может оказаться дешевле, чем бурение под зонды в необходимом количестве для промышленного здания, особенно если водоносные пласты залегают неглубоко.

Для получения 150 кВт необходимо прокачивать через тепловой насос около 25-30 м3/ч воды. Можно использовать вместо одной высокопроизводительной скважины две поменьше. Это позволит снизить себестоимость бурения (две небольшие скважины могут оказаться дешевле одной большего диаметра), также позволит использовать два менее мощных скважинных насоса, которые также могут выйти дешевле одного более мощного и обеспечит разумное резервирование на непредвиденный случай.

Геотермальные скважины для тепловых насосов

Тем не менее, актуальность использования такого альтернативного (и при этом экологически чистого) источника энергии, как геотермальное тепло самой планеты – огромна, и в перспективе способна стать в один ряд с солнечными батареями, где совершенствование технологий и повышение КПД панелей идет вперед семимильными шагами.

Что касается аппаратуры геотермального направления, то ее роль выполняют тепловые насосы, для установки которых и производится бурение скважин для геотермального отопления, (глубиной, обычно, от 20 до 150 и более метров). При этом, если пробуривается такого типа геотермальная скважина, цена ее зависит от множества факторов, влияющих на обустройство шахты и создание геотермального зонда.

  1. Особенности устройства шахты

    На расчетную глубину (а, значит, и на будущую требуемую мощность тепловых насосов), влияют, прежде всего:

    • климат данного региона
    • геологические особенности местности
    • виды почв, сквозь которые проводятся геотермальные скважины

    Не углубляясь в точные физико-математические расчеты, следует сказать, что средняя тепловая эффективность геотермальной скважины равна примерно 60-65 Вт/метр.

    Иначе говоря, 10-15 КВт, требующиеся для обогрева среднего дома, потребуют глубины скважины порядка 160-180 метров (что для уровня бытовых потребителей довольно дорогостояще, поскольку предполагает использование высокопрофессионального оборудования). Выходом из ситуации в этих случаях считается бурение не одной, а целого комплекса менее глубоких скважин – по 70-90 м каждая – с погружением в шахты поглощающих контуров.

    Если же геологические особенности поверхностных слоев делают бурение вертикальной скважины невозможной (либо крайне нецелесообразной), проводится наклонное бурение под требуемым углом, с общей глубиной погружения всего до 12-15 м.

    Достаточная мощность при этом достигается радиальным расположением скважин и их количеством (от 5 до 10) с расположенным неглубоко под поверхностью центральным коллектором с отводом на тепловой насос.

  2. Технология создания геотермального зонда

    Конструктивно геотермальный зонд представляет собой композитную трубу с циркулирующим внутри антифризом, отделенную от стенок скважины специальным раствором бетона повышенной теплопроводности. Монолитность подобных конструкций служит практически пожизненной гарантией скважин, а максимальную эффективность теплоотдачи системы обеспечивает взаимное расположение шахт на расстоянии 20-25 м друг от друга.

  3. Преимущества подобных скважин

    К ним следует отнести:

    • размещение поглотителей тепла под поверхностью земли (и как следствие – отсутствие зависимости от климата)
    • безопасность оборудования
    • возможность монтажа даже под каменистыми грунтами
    • возможность совмещения отопительной системы с кондиционирующей (поскольку температуры на глубине в несколько десятков метров не зависят от сезона)

Добавить комментарий

Ваш e-mail не будет опубликован. Обязательные поля помечены *