Контур для геотермального теплового насоса: кластерне буріння

Головне завдання під час застосування геотермальних теплових насосів — створити ґрунтовий контур. Первинне джерело тепла має відповідати потужності теплового насоса й покривати потреби об’єкта в опаленні та гарячому водопостачанні. На перший план при виборі технічного рішення виходять два показники: ефективність контуру та вартість його облаштування.

Час запуску котельні на тепловому насосі для опалення будинку зазвичай не перевищує 4–5 тижнів. Більша частина робіт припадає на будівництво земляного контуру відбору тепла. Залежно від фактичних умов і технічних параметрів можливі два способи виконання. Горизонтальне укладання — найпростіше, але потребує великої площі. Компактніший варіант — вертикальне встановлення геотермальних зондів. А одне з найперспективніших сьогодні рішень — похило-кластерне буріння: свердловини розходяться променями під нахилом униз з обмеженого майданчика на поверхні.

Розгляньмо особливості цієї технології. На обраній ділянці в ґрунт встановлюють залізобетонне кільце діаметром 1,5 метра, а на ньому кріплять компактну бурову установку. Похилі свердловини йдуть з одного кластера під кутом 10–45° до горизонту — залежно від глибини залягання твердих порід. Уся конструкція закрита брезентовим наметом: це дозволяє працювати за будь-якої погоди й захищає довколишні будівлі та дерева.

У готові свердловини опускають коаксіальні зонди. У тому самому бетонному кільці потім встановлюють збірний колектор із запірними кранами. Така конструкція забезпечує поділ потоку й оптимальний тиск та гарантує мінімальні тепловтрати.

Перша очевидна перевага — для буріння не потрібні ані важка техніка, ані стандартні бурові установки. Потрібне обладнання й пристрої мобільні, їх переносять частинами. Для роботи достатньо ділянки площею 5×5 метрів.

По-друге, точний розрахунок знижує витрати на самі бурові роботи — найдорожчу частину облаштування геотермального контуру. Серед «хитрощів» — менший діаметр стовбура та буріння першої свердловини під кутом 45°. Це своєрідна розвідка: вона дозволяє оцінити стан ґрунту й визначити потрібну довжину — 33 чи 50 метрів. Однаковий розмір зондів значно полегшує подальше балансування мережі.

Бурова штанга забезпечує швидкий монтаж зонда, а мінімальний зазор між трубою та свердловиною дозволяє заощадити тампонажний матеріал.

Геотермальний колектор — це теплообмінник: теплоносій, що циркулює в системі, обмінюється теплом із ґрунтом. Як показує практика, найкраще працює коаксіальний зонд із зовнішньою поліетиленовою трубою у верхній частині свердловини. З одного боку, холодний теплоносій доходить до активної глибини свердловини; з другого — не відбувається «заморожування» ґрунту у верхньому родючому шарі. При цьому «паразитний» теплообмін між трубами не перевищує 8% завдяки низькій теплопровідності матеріалу внутрішньої частини. Можливість застосувати коаксіальний зонд — ще одна вагома перевага технології похилого буріння.

Облаштовуючи геотермальний контур, обов’язково враховують питоме теплознімання з погонного метра свердловини. Цей параметр залежить від породи, з якої складається ґрунт, і від руху підземних вод: сухий пісок дає лише 20 Вт з метра свердловини, а супісок — уже 60 Вт.

Щоб урахувати температуру ґрунту, користуються даними спеціальної таблиці, складеної для різних кліматичних зон. В ідеалі геотермальний зонд має знімати в середньому 25–50 Вт з погонного метра, але на практиці фактичний показник майже завжди нижчий — його визначають реальний склад порід, обводненість і режим роботи насоса. Саме тому контур розраховують із запасом, а не за ідеальними табличними значеннями.

На вартість контуру впливає й тип теплоносія та потрібний обсяг для заправляння системи. У запропонованому рішенні перевагу віддано пропіленгліколю з температурою замерзання −15 градусів. Цей продукт не завдає серйозної шкоди довкіллю, оскільки є харчовою добавкою.

Варто відзначити й мінімум земляних робіт. Строго вертикальне буріння вимагає прокладання траншей, щоб під’єднати зонди до розподільного колектора. Відстань між свердловинами становить 5 метрів, тож загальна довжина з’єднувальних ліній неминуче пошкодить уже облаштовану ділянку. За кластерного способу єдина тепломережа до входу в будівлю зазвичай не перевищує 5 метрів — тобто втручання в наявний ландшафт мінімальне. Залізобетонне кільце заглиблене на 30 см, тому його можна засипати ґрунтом і розбити зверху квітник чи газон. Для технічних потреб лишається невеликий люк.

Метод похило-кластерного буріння уже оцінили багато замовників. Технологія скорочує строки робіт і витрату матеріалів та дає змогу оптимально підібрати комплектацію. Важлива перевага — мінімальний вплив на ландшафт, на відміну від звичайного вертикального буріння чи горизонтального прокладання.

Головний мінус — вища вартість системи, ніж за класичного буріння під теплові насоси. Тобто самі бурові роботи виходять дешевшими, але облаштування кластера з коаксіальними зондами й збірним колодязем робить контур загалом дорожчим. Виправданий цей метод там, де ділянка мала або вже облаштована й розкопувати її не можна.