bbk 000000

УДК 697.3:621.577

Поромпка Свен, Махов Л. М.

Особенности бурения и обустройства скважин для установки зондов тепловых насосов (опыт Германии)

Аннотация

Изложен опыт немецких специалистов по устройству скважин для установки геотермальных зондов, используемых в сочетании с тепловыми насосами. Геотермическая, или низкопотенциальная теплота грунта приобретает все большую популярность. Преимущество – экологичность и незначительные эксплуатационные затраты на отопление и горячее водоснабжение.

Ключевые слова

геотермия , тампонирование , грунтовый зонд , эффективная теплопроводность породы , скважина для зондов , тепловой тест

Скачать статью в журнальной верстке (PDF)

Извлечение теплоты из грунта в установках с тепловыми насосами осуществляется с помощью грунтовых зондов. Если для укладки грунтового коллектора площадь земельного участка недостаточна, то целесообразно использовать геотермальный зонд. Для дома на одну семью жилой площадью 150 м² и потребностью в теплоте на отопление 7,5 кВт требуется грунтовый зонд длиной около 120 м (в зависимости от теплопроводности грунта).

Система труб геотермального зонда устанавливается в вертикальном положении внутри пробуренных скважин глубиной до 100 м. При необходимости требуемая длина зонда может быть распределена на несколько скважин. На рис. 1 представлена система грунтового зонда. Возможно создание поля из нескольких зондов, чтобы при той же общей длине труб контура съема теплоты от грунта иметь меньшую глубину бурения скважины.

Грунтовый зонд теплового насоса представляет собой теплообменник, при помощи которого можно извлекать накопленную в грунте энергию. Он устанавливается в предварительно пробуренную скважину и состоит из двух двойных труб (петель) – так называемый двойной геозонд (рис. 2). В нижней части зонд имеет U-oбразное соединение (наконечник), в верхней части зонда трубы подводятся к распределителю (коллектору) рассола подающей и обратной линий.

Наконечник в нижней части зонда представляет собой либо приваренный U-oбразный элемент со сминаемым защитным колпаком для смягчения удара о землю при опускании зонда, либо массивный элемент из пластмассы с вырезанным фрезой U-oбразным ходом для рассола.

Глубина скважины, в которую устанавливается зонд, обычно составляет 30–180 м, диаметр скважины 100–152 мм. Грунтовые зонды обычно изготавливаются из полиэтилена высокой плотности (HDPE). Стандартные размеры трубы для грунтовых зондов длиной до 60 м – 25х2,3 мм, длиной от 60 до 100 м – 32х2,9 мм.

При создании системы съема подземной теплоты при помощи грунтовых зондов существует опасность неправильного расчета длины зонда (в меньшую сторону), т. е. чрезмерного отбора теплоты, поскольку в таком случае земля будет переохлаждаться. Температура теплоносителя будет становиться все более низкой, что приведет к постепенному снижению мощности теплового насоса, а также к необходимости в летний период восстанавливать теплоту в глубоких слоях почвы за счет подогрева скважины. Для исключения теплового взаимодействия между несколькими зондами минимальное расстояние между зондами длиной 40–50 м должно составлять 5 м, при длине зонда 50–100 м [1] – 6 м.

Температура поступающего к земляному зонду антифриза-теплоносителя при непрерывной эксплуатации (в течение нескольких недель) должна превышать предельное значение разности температур ±11°C по отношению к температуре земли в нетронутом состоянии. При максимальной тепловой нагрузке разность температур не должна превышать ±17°C [1]. В этом случае воздействие геотермального зонда на грунт незначительно.

При использовании грунтовых тепловых насосов желательно, чтобы грунт имел высокую теплопроводность для обеспечения подачи в тепловой насос как можно большего количества теплоты от почвы. В стационарном режиме способность к переносу теплоты можно характеризовать теплопроводностью  (таблица) [1]. Грунтовые зонды получают тепловую энергию благодаря геотермическому тепловому потоку (из земных недр к поверхности) и течению грунтовых вод. Солнечное излучение и миграция просачивающейся дождевой воды имеют сколько-нибудь значимое влияние только до глубины 10–20 м. При использовании грунтовых зондов занижение параметров может стать причиной пониженной температуры рассола. В дальнейшем из-за этого может постоянно снижаться температура рассола от одного отопительного сезона к другому, что приводит к замораживанию скважины.

Предприятие, выполняющее буровые работы, должно иметь лицензию в соответствии с рабочей таблицей W 120 DVGW (для Германии, Австрии и Швейцарии). Проектирование должно осуществляться во взаимодействии с заказчиком. Буровое предприятие составляет план выполнения работ, в котором фиксируются все разрешения и ограничения.

Грунтовый зонд и его подающая и обратная линии укладываются на расстоянии не ближе 70 см от водопроводных и канализационных труб, а также других трубопроводных систем. При пересечении питающих магистралей необходимо теплоизолировать коллекторную трубу в области пересечения. Грунтовые зонды доставляются на строительную площадку в собранном виде. Во избежание повреждений с ними необходимо обращаться с исключительной осторожностью.

При обустройстве строительной площадки необходимо соблюдать следующие требования:

• ориентировочная ширина проезда гусеничных машин с буровой установкой не менее 1,5 м, грузовика – 2,5 м;
• размер площадки для небольших гусеничных машин с буровой установкой не менее 6х5 м; грузовика – 8х5 м;
• при необходимости наличие водоема или ванны для промывки;
• электропитание 400 В;
• подвод холодной воды;
• план с указанием проложенных электрических кабелей, водопроводных и канализационных труб или иных подземных сооружений.

Необходимые сведения могут значительно различаться в зависимости от требований бурового предприятия и типа оборудования и потому должны рассматриваться лишь как приблизительная отправная точка. В идеальном случае буровые работы производятся на стадии укладки труб. При работах около построенных домов необходимо обеспечить их защиту от грязи.

Тампонирование кольцевого зазора между геотермальным зондом и стенками скважины (рис. 3) очень важно для обеспечения теплообмена между горными породами и геотермальным зондом, а также для герметизации пройденных водоносных горизонтов грунтовых вод на разной глубине.

Непременным условием должно быть предотвращение попадания грунтовых вод (с глубины, например, 20 м) в водоносный слой (например, 60 м). Эта ситуация является реальной угрозой для водоснабжения с забором воды из подземного источника.

Для обеспечения оптимальной передачи теплоты от грунта к зонду кольцевой зазор скважины (свободное пространство между зондом и стенкой скважины) должен быть полностью затампонирован. Для этого в скважину вместе с зондом вставляется трубка для подачи тампонажной смеси. При помощи такой трубы можно подавать тампонажный раствор в скважину снизу вверх. Выход заполняющего материала из устья скважины указывает на завершение тампонирования.

В качестве суспензии для тампонирования геозондов принято использовать смесь из бентонита (глинистый минерал), шлакопортландцемента, песка и воды благодаря хорошей теплопроводности. В зависимости от свойств грунта присадками могут служить кварцевая мука, кварцевый песок, исключительно мелкий гравий или промывочный буровой раствор.

Температура суспензии для тампонирования скважин должна соответствовать условиям использования. Особое внимание при чистом съеме теплоты следует обращать на защиту от воздействия низкой температуры. На практике оказались пригодными суспензии из смеси бентонита, шлакопортландцемента и воды либо бентонита, шлакопортландцемента, песка и воды. Чистая суспензия из бентонита и воды не пригодна, поскольку, с одной стороны, имеет низкую теплопроводность < 0,7 Вт/(м·K) при 10°C, с другой стороны, не является морозостойкой. Добавка цемента позволяет применять суспензию при температуре примерно до –15°C, благодаря добавке кварцевого песка повышается теплопроводность – более 0,8 Вт/(м∙K) при 10°C.

В суспензии из бентонита, шлакопортландцемента, песка и воды процентная доля бентонита и цемента должна составлять ориентировочно по 10%, песка – около 30%. Следует избегать слишком высокой доли цемента, а также тампонирования скважин грунтовых зондов чистым цементом или чистым строительным раствором, чтобы заполнение пространства скважины оставалось слегка пластичным и не создавалось препятствий термическому расширению грунтового зонда.

Добавка кварцевого песка может влиять на повышенный износ насоса для нагнетания тампонажной смеси. Добавка кварцевого порошка вместо песка также возможна, как и тампонирование чистой суспензией из бентонита, шлакопортландцемента и воды, которые в этом случае смешиваются в соотношении, например 25/25/50%. Вместо бентонита для этих целей могут также применяться другие набухающие глины либо молотые глинистые породы [1].

Современные материалы для тампонирования геотермальных зондов представляют собой готовые сухие смеси. В них нужно только добавить воду и размешать. Суспензия отличается очень высокой теплопроводностью ( ≥ 2,2 Вт/(м∙К) и применяется для съема теплоты с геотермальных скважин. Эти тампонажные материалы обладают хорошими показателями тиксотропии (способность субстанции уменьшать вязкость, т. е. разжижаться от механического воздействия и увеличивать вязкость, сгущаться в состоянии покоя), высокой устойчивостью к сульфатам и к попеременному замерзанию-оттаиванию (термическое сопротивление буровой скважины ≤ 0,008 м²∙K/Вт). Опрессовка грунтового зонда производится при испытательном давлении 6 бар (длительность 60 мин, предварительная нагрузка 30 мин, максимальное падение давления 0,2 бар) [1].

Тепловой тест скважины «Thermal Response Test» [2] является необходимым условием для проектирования и создания больших полей геотермальных зондов для тепловых насосов мощностью > 30 кВт (рис. 4). Продолжительность теста 72 ч.

Список цитируемой литературы

1. VDI 4640 Blatt 2. Thermische Nutzung des Untergrundes Erdgekoppelter Wrmepumpen-Anlagen. – Dsseldorf: Beuth Verlag, 2001.
2. Sanner B., Reuss M., Mands E., Mller J. Thermal Response Test – Experiences in Germany. – Stuttgart: Proc. TERRASTOCK, 2000.
3. Волов Г. Я. Проектирование вертикальных грунтовых теплообменников с применением результатов по тепловому тесту скважин // Энергия и менеджмент. 2010. № 12.