Монтаж тепловых насосов– перспективное, стремительно развивающееся направление малого бизнеса

В малоэтажном жилом секторе одной из важных проблем является проблема отопления. Для ее решения, в большинстве случаев применяются автономные системы теплоснабжения с использованием электричества, газовых, жидкотопливных и твердых источником тепловой энергии. При неуклонном росте цен на энергоносители, затрат по их хранению и доставке, а так же наличие вредных выбросов продуктов сгорания все большую популярность приобретают альтернативные возобновляемые источники энергии.

Для автономного теплоснабжения таким источником энергии является геотермальный тепловой насос – устройство, позволяющее в холодный период извлекать из грунта, имеющего температуру 6-8ºC, низкопотенциальное тепло и преобразовывать его в нагрев воды в системе отопления и горячего водоснабжения до температуры 40-60ºC. При этом грунт охлаждается на несколько градусов. В теплый период года грунтовый массив восполняет потери тепла за счет солнечной радиации. Так же тепловой насос может использоваться для охлаждения помещения в жаркое время года, отдавая тепло в грунт.

Подобные системы широко применяются в последние 30 лет в западной Европе, США, Канаде, Японии, Корее, Китае. А в Швеции и Германии доля этих систем отопления составила 30-40 %. И несмотря на то, что в в России, на Украине, в Казахстане, Белоруссии доля тепловых насосов на сегодняшний день значительно уступают зарубежным (в основном из-за недостаточной информированности и недоверчивости потенциальных заказчиков новым технологиям), за последние годы наблюдается лавинообразный рост заказов на выполнение данной схемы отопления.

Для функционирования теплового насоса (по сути – холодильника) необходима электроэнергия, при этом на 1 кВт затраченной электрической мощности получается 3-4 кВт дополнительной тепловой мощности из внешней среды. Например, для отопления и горячего водоснабжения жилого дома площадью 250 кв.м. в средней полосе России в зимний период достаточно расходовать электрическую мощность около 4 кВт, при общей мощности теплопотерь 17-20 кВт. По экономической эффективности при сегодняшних ценах на энергоносители, отопление тепловыми насосами значительно выгоднее электрообогревателей, жидкотопливных, твердотопливных и газовых систем, кроме использующих магистральный природный газ, без учета стоимости его проведения. Средний срок окупаемости затрат на оборудование здания тепловым насосом составляет 4-5 лет.

Грунтовый тепловой насос – представляет собой холодильное устройство, морозильник которого расположен в грунте и выполнен в виде системы трубок («геотермальных зондов»), объединенных в коллектор, по которым циркулирует незамерзающий теплоноситель, обычно спирт. Коллектор должен располагаться возможно ближе к отапливаемому зданию, что бы сократить паразитные теплопотери, но так же должен охватывать достаточный объем грунта, содержащего низкопотенциальное тепло. Геотермальные зонды могут располагаться вертикально, горизонтально или наклонно, но расстояние между соседними зондами должно быть возможно большим (не менее 1-1,5 м), а суммарная их длина выбирается из условия теплосъема 30-40 Вт с 1 п.м. зонда. Так, для дома площадью 250 кв.м. требуется общая длина зондов около 400 м, при этом длина каждого отдельного зонда (петли) может составлять от 20 до 200 м.

Разновидности монтажа тепловых зондов

1) При горизонтальной укладке в грунт зонды-коллекторы располагаются на глубине 1,2-1,5 м, занимают большую площадь и отрицательно влияют на корневую систему растений, поскольку охлаждают почву. Траншеи под горизонтальный коллектор копаются вручную или экскаватором, что относительно дешево (250-300 руб п.м.), но возможно в основном при новом строительстве. На обжитом приусадебном (дачном) участке устройство горизонтальных коллекторов весьма проблематично. Также весомым недостатком данного типа укладки является  вымораживание поверхностного слоя грунта, что приведет к гибели растений, и особенно сельскохозяйственных культур, над зондами.

2) При вертикальном расположении геотермальные зонды (конструктивно выполненные в виде V-образных или коаксиальных трубчатых петель из стойкого к коррозии материала) закладываются в заранее пробуренные вертикальные скважины, после чего скважины заливаются специальным цементным раствором. Бурение осуществляется на глубину от 30 до 200 м, часто до водоносного горизонта. Обычно бурится несколько скважин (от 2 до 10), на расстоянии не менее 5 м друг от друга , во избежание «теплового замыкания». Бурение на значительную глубину (глубже 15-20 м) часто идет по твердым породам , что требует применения весьма мощной буровой техники, обычно используемой в геологоразведке и при бурении артезианских скважин. Применение тяжелой буровой техники на благоустроенном участке приводит к его повреждению и необходимости рекультивационных мероприятий.

Также использование тяжелой техники значительно увеличивает затраты по бурению. Конечная стоимость одного погонного метра с установкой в них геотермальных зондов достигает в данном методе 1500 -1800 руб/п.м., что составляет 60-80 % всех затрат на установку теплового насоса, включая стоимость оборудования. Необходимо так же отметить, что при размещении зондов в глубоких скважинах существует опасность повреждения питьевых водоносных горизонтов при утечках теплоносителя. Запрет на бурение водоносных слоев существует во многих странах.

3) Кластерное («веерное») расположение геотермальных зондов в наклонных скважинах позволяет избежать многих недостатков , присущих горизонтальной и вертикальной схемам установки зондов. Предварительно в близи дома или его подвале сооружается колодец диаметром 1-1,5 м и глубиной 1,5 м. Буровая установка располагается на поверхности на краю колодца, бурение ведется под углом 45-60º к горизонту через колодец, на глубину до 50 м, с использованием обсадных труб. При достижении заданной глубины устанавливается зонд, обсадные трубы извлекаются. Далее установка перемещается на некоторый угол вокруг оси колодца, бурится следующая скважина. В конечном итоге получается «веер» расходящихся вниз скважин с зондами, верхние концы которых собираются в колодце. При данной схеме в одном колодце может располагаться  до 15-20 зондов, практически не влияющих друг на друга. Поскольку все работы производятся в одном месте –вокруг колодца – повреждения приусадебной территории минимальны, а буровой раствор и выбуриваемая порода остаются в колодце и удаляются из него в специальных емкостях, не разваливаясь по участку. Данная схема реализована в узкоспециализированных установках производства Германии. В связи с высокой стоимостью данных установок, бурового инструмента, стоимость бурения так же составляет около 1500 руб/п.м.

      Развитием схемы  кластерного геотермального бурения, является схема, предложенная и реализованная в широкоуниверсальной малогабаритной установке УНБ-3. При этой схеме легкая переносная буровая установка располагается на некотором расстоянии (3-4 м) от коллекторного колодца, что позволяет бурить из одной точки несколько веерных скважин длиной до 50 м под углом 15-20º к горизонту. При достижении заданной длины скважины, в колонну бурильных труб (штанг) вставляется геотермальный зонд. Буровой наконечник раскрывается и вместе с буровыми штангами извлекаются наружу. Верхние концы зондов выходят в колодец, где затем собираются в коллектор. Предложенная схема имеет следующие преимущества:

- зонды располагаются веером на глубине от 1,5 до 20 м, т.е. в наиболее слабых грунтах, легко поддающихся бурению;

- скважины не достигают водоносных горизонтов. Вхождение в водоносные горизонты запрещено законодательством РФ (хотя часто это требование нарушается);

- зонды так же прокладываются под имеющейся застройкой. Теплоотдача дома в грунт под подвалом достигает до 15% всех теплопотерь и может быть эффективно использована;

- небольшие усилия и мощности, необходимые для бурения слабых грунтов, позволяют вести работы легкой переносной буровой установкой, легко закрепляемой на поверхности и не нарушающей почвенного и растительного покрова. Буровой шлам и промывочная жидкость (раствор) остаются в колодце и не засоряют территорию;

- значительно сокращается время на производство буровых работ и монтажа зондов. Исключаются операции обсадки скважин обсадными трубами  и их последующего извлечения, заливки полости скважин  цементным раствором. Практика показала, что бурение на небольшие (до 30 м) расстояния ведется быстро и без осложнений. Для изменения направления бурения достаточно развернуть поворотную станину в горизонтальной плоскости  на угол в 3-5º, не перезакрепляя анкеры станка.

 Применение данной схемы на ряде объектов Московской области в 2012-2015 г. показало ее высокую экономическую эффективность. Стоимость бурения скважины с установленным зондом может быть снижена до 700 руб/п.м., время выполнения всех работ на объекте бригадой из 2-х человек в среднем на практике занимает не более 5 дней.