Кластерное бурение

Рассмотрим ситуацию. Вертикальная скважина, в неё опущен U-образный зонд, пространство между трубами зонда и стенками скважины заполнено теплопроводящим раствором (произведён тампонаж межтрубного пространства). В одну из труб зонда из теплообменника теплового насоса подаётся охлаждённый теплоноситель с температурой -2 градуса, протекая по трубе охлаждает стенку трубы и соответственно грунт вокруг этой трубы. Грунт находящийся в плотном контакте с трубой охлаждается, но при этом и подогревает теплоноситель – происходит обмен тепловой энергией. На выходе из геотермального зонда теплоноситель будет уже подогрет до +2 градусов. Но что будет если сильно увеличить нагрузку на геотермальный зонд, например подавать теплоноситель температурой -4 градуса или прокачивать больше теплоносителя? Произойдёт понижение температуры теплоносителя на выходе из зонда. Тогда температура подачи в зонд будет -4 градуса, а температура выходящего теплоносителя -2 градуса, то есть зонд будет работать с отрицательными температурами. Для работы теплового насоса это совершенно нормальные температуры, а вот с работой U- образного зонда произойдут некоторые изменения.

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 расстояние в скважине.

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. В итоге – все концы геотермальных зондов уже сразу находятся в кольце и копать траншеи соединяющие зонды не нужно. В этом же кольце собирают сборный коллектор с кранами для каждого зонда, а затем закрывают стандартной бетонной крышкой с полимербетонным люком. На поверхности останется только люк. Обычно располагают такой колодец не далее 5 метров от дома (минимальное расстояние от края кольца до дома 2 метра) и траншея для теплотрассы от коллектора до ввода в помещение котельной тоже 5 метров.

Коаксиальный зонд

Геотермальный зонд это теплообменник основной задачей которого является передавать тепло от грунта теплоносителю внутри зонда, а так как зонд опускается в скважину, то разные виды монтажа в большей степени относятся к виду скважин в которые этот зонд и опускают. Вообщем-то вариантов направления скважин не так-то уж и много: вертикальные, горизонтальные, наклонные. Часть из них уже были рассмотрены выше. Больший интерес представляет расположение начала скважины или “устье скважины”. При использовании вертикальных скважин трубы зонда должны продлеваться до сборного коллектора к запорными кранами и регуляторами потока. Вертикальные скважины находятся на разном удалении от коллектора, длина магистралей будет разная и гидравлические потери в магистралях – тоже разные, использование регуляторов потока необходимое условия для обеспечения равномерного расхода теплоносителя через каждый зонд. Так же большое скопление труб с отрицательными температурами в одном месте требует обязательного утепления места подхода к коллектору. 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. Наклонные скважины в бурении сложнее строго вертикальных, но позволяют проходить водонасыщенные слои под углом, что увеличивает протяжённость зонда в породах с большой отдачей тепла. При бурении наклонных скважин из одной точки не требуется копать траншеи для соединения в коллектор – скважины изначально расположены в колодце.

....и мифы про "замораживание" грунта

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.