Монтаж теплових насосів - перспективний напрямок малого бізнесу, що стрімко розвивається.
У малоповерховому житловому секторі однією із важливих проблем є проблема опалення. Для її вирішення, у більшості випадків застосовуються автономні системи теплопостачання з використанням електрики, газових, рідкопаливних та твердих джерел теплової енергії. При неухильному зростанні цін на енергоносії, витрат на їх зберігання та доставку, а також наявність шкідливих викидів продуктів згоряння все більшої популярності набувають альтернативні відновлювані джерела енергії.
Для автономного теплопостачання таким джерелом енергії є геотермальний тепловий насос – пристрій, що дозволяє в холодний період витягати з ґрунту, що має температуру 6-8ºC, низькопотенційне тепло та перетворювати його на нагрівання води в системі опалення та гарячого водопостачання до температури 40-60ºC. При цьому ґрунт охолоджується на кілька градусів. У теплий період року ґрунтовий масив заповнює втрати тепла за рахунок сонячної радіації. Так само тепловий насос може використовуватися для охолодження приміщення у спеку року, віддаючи тепло в ґрунт.
Подібні системи широко застосовуються останні 30 років у західній Європі, США, Канаді, Японії, Кореї, Китаї. А в Швеції та Німеччині частка цих систем опалення склала 30-40%. І незважаючи на те, що в Україні, в Україні, в Казахстані, Білоукраїнсії частка теплових насосів на сьогоднішній день значно поступається закордонним (в основному через недостатню поінформованість та недовірливість потенційних замовників новим технологіям), за останні роки спостерігається лавиноподібне зростання замовлень на виконання цієї схеми опалення.
Для функціонування теплового насоса (по суті – холодильника) необхідна електроенергія,при цьому на 1 кВт витраченої електричної потужності виходить 3-4 кВт додаткової теплової потужності із зовнішнього середовища. Наприклад, для опалення та гарячого водопостачання житлового будинку площею 250 кв. у середній смузі України в зимовий період достатньо витрачати електричну потужність близько 4 кВт, за загальної потужності тепловтрат 17-20 кВт. За економічною ефективністю за сьогоднішніх цін на енергоносії, опалення тепловими насосами значно вигідніше електрообігрівачів, рідкопаливних, твердопаливних та газових систем, крім тих, що використовують магістральний природний газ, без урахування вартості його проведення. Середній термін окупності витрат за обладнання будівлі тепловим насосом становить 4-5 років.
Грунтовий тепловий насос – це холодильний пристрій, морозильник якого розташований у грунті і виконаний у вигляді системи трубок («геотермальних зондів»), об'єднаних у колектор, за якими циркулює незамерзаючий теплоносій, зазвичай спирт. Колектор повинен розташовуватися якомога ближче до опалювальної будівлі, щоб скоротити паразитні тепловтрати, але так само повинен охоплювати достатній об'єм грунту, що містить низькопотенційне тепло. Геотермальні зонди можуть розташовуватися вертикально, горизонтально або похило, але відстань між сусідніми зондами має бути можливо більшою (не менше 1-1,5 м), а сумарна їх довжина вибирається з умови теплознімання 30-40 Вт з 1 п.м. зонд. Так, для будинку площею 250 кв. потрібна загальна довжина зондів близько 400 м, причому довжина кожного окремого зонда (петлі) може становити від 20 до 200 м.
Різновиди монтажу теплових зондів
1) При горизонтальному укладанні в ґрунт зонди-колектори розташовуються на глибині 1,2-1,5 м, займають велику площу і негативно впливають на кореневу.систему рослин, оскільки охолоджують ґрунт. Траншеї під горизонтальний колектор копаються вручну або екскаватором, що відносно дешево (250-300 руб п.м.), але можливо переважно при новому будівництві. На обжитому присадибному (дачному) ділянці пристрій горизонтальних колекторів дуже проблематично. Також вагомим недоліком даного типу укладання є виморожування поверхневого шару ґрунту, що призведе до загибелі рослин і особливо сільськогосподарських культур над зондами.
2) При вертикальному розташуванні геотермальні зонди (конструктивно виконані у вигляді V-подібних або коаксіальних трубчастих петель із стійкого до корозії матеріалу) закладаються в пробурені вертикальні свердловини, після чого свердловини заливаються спеціальним цементним розчином. Буріння складає глибину від 30 до 200 м, часто до водоносного горизонту. Зазвичай буриться кілька свердловин (від 2 до 10), на відстані не менше 5 м один від одного, щоб уникнути «теплового замикання». Буріння на значну глибину (глибше 15-20 м) часто йде по твердих породах, що вимагає застосування вельми потужної бурової техніки, що зазвичай використовується в геологорозвідці і буріння артезіанських свердловин. Застосування важкої бурової техніки на упорядкованій ділянці призводить до її пошкодження та необхідності рекультиваційних заходів.
Також використання важкої техніки значно збільшує витрати на буріння. Кінцева вартість одного погонного метра з установкою в них геотермальних зондів досягає в цьому методі 1500 -1800 руб/п.м., що становить 60-80% всіх витрат на встановлення теплового насоса, включаючи вартість обладнання. Необхідно також відзначити, що при розміщенні зондів у глибоких свердловинах існує небезпека пошкодження питних водоносних горизонтів.при витоку теплоносія. Заборона на буріння водоносних верств існує у багатьох країнах.
3) Кластерне («віяльне») розташування геотермальних зондів у похилих свердловинах дозволяє уникнути багатьох недоліків, властивих горизонтальній та вертикальній схемам установки зондів. Попередньо поблизу будинку або його підвалі споруджується колодязь діаметром 1-1,5 м і глибиною 1,5 м. Бурова установка розташовується на поверхні на краю колодязя, буріння ведеться під кутом 45-60º до горизонту через колодязь, на глибину до 50 м, із використанням обсадних труб. При досягненні заданої глибини встановлюється зонд, обсадні труби виймаються. Далі установка переміщається на деякий кут навколо осі колодязя, що бурить наступна свердловина. Зрештою виходить «віяло» свердловин, що розходяться вниз, з зондами, верхні кінці яких збираються в колодязі. При даній схемі в одному колодязі може розташовуватися до 15-20 зондів, що практично не впливають один на одного. Оскільки всі роботи виробляються в одному місці - навколо колодязя - пошкодження присадибної території мінімальні, а буровий розчин і порода, що вибурюється, залишаються в колодязі і видаляються з нього в спеціальних ємностях, не розвалюючись по ділянці. Ця схема реалізована у вузькоспеціалізованих установках виробництва Німеччини. У зв'язку з високою вартістю даних установок, бурового інструменту вартість буріння так само становить близько 1500 руб/п.м.
Розвитком схеми кластерного геотермального буріння є схема, запропонована та реалізована в широкоуніверсальній малогабаритній установці УНБ-3. При цій схемі легка переносна бурова установка розташовується на деякій відстані (3-4 м) від колектора, що дозволяє бурити з однієї точки кілька віялових свердловин довжиною до 50 м під кутом 15-20º догоризонту. При досягненні заданої довжини свердловини в колону бурильних труб (штанг) вставляється геотермальний зонд. Буровий наконечник розкривається і разом із буровими штангами витягуються назовні. Верхні кінці зондів виходять у колодязь, де потім збираються в колектор. Запропонована схема має такі переваги:
- зонди розташовуються віялом на глибині від 15 до 20 м, тобто. у найбільш слабких ґрунтах, що легко піддаються бурінню;
- свердловини не досягають водоносних горизонтів. Входження до водоносних горизонтів заборонено законодавством України (хоча часто ця вимога порушується);
- зонди також прокладаються під наявною забудовою. Тепловіддача будинку в ґрунт під підвалом досягає до 15% всіх тепловтрат і може бути ефективно використана;
- невеликі зусилля та потужності, необхідні для буріння слабких ґрунтів, дозволяють вести роботи легкою переносною буровою установкою, що легко закріплюється на поверхні і не порушує ґрунтового та рослинного покриву. Буровий шлам та промивна рідина (розчин) залишаються в колодязі і не засмічують територію;
- Суттєво скорочується час на виробництво бурових робіт та монтажу зондів. Виключаються операції обсадки свердловин обсадними трубами та їх подальшого вилучення, заливання порожнини свердловин цементним розчином. Практика показала, що буріння на невеликі (до 30 м) відстані ведеться швидко та без ускладнень. Для зміни напрямку буріння достатньо розгорнути поворотну станину в горизонтальній площині на кут 3-5º, не перекріплюючи анкери верстата.
Застосування цієї схеми на ряді об'єктів Московської області в 2012-2015 р. показало її високу економічну ефективність. Вартість буріння свердловини із встановленим зондом може бути знижена до 700 руб/п.м., час виконаннявсіх робіт на об'єкті бригадою з 2-х осіб у середньому практично займає трохи більше 5 днів.