Про зонды для теплового насоса

Иногда возникают вопросы, какая зависимость между длиной, диаметром, материалом зонда и количеством теплоты, которое можно отобрать из грунта.

Теплопроводность грунта колеблется от 0,5 Вт/(м*К) в случае сухих песков до 3 Вт/(м*К) в скальном массиве. Сомнения в экономической целесообразности грунтового коллектора возникают в первом случае из-за слишком большой необходимой длины труб, во втором из-за стоимости работ.
В промежуточных вариантах может встретиться водоносный песок, что повысит теплопроводность выше скального массива, в этом случае при малых затратах на работу можно сократить и длину труб, это самый предпочтительный вариант после контура в проточном водоёме, а может попасться скальный грунт в виде крупного гравия без воды, в котором теплопроводность хуже чем в сухом песке и бурить/копать сложнее.
Разница теплопроводности в различных грунтах может достигать более 10 раз.
Но не впадая в крайности, где устраивать теплосборные коллекторы нет
никакого смысла, и исходя из опыта многочисленных монтажников можно сказать, что грунтовый горизонтальный коллектор может в течении отопительного сезона давать 10-15 Вт с погонного метра, не боясь совсем заморозиться к весне.
Вертикальные зонды могут дать 40-50 Вт с погонного метра.
В вертикальных лучше организованы теплопритоки к зонду, они идут со всех сторон, лучше водонасыщение пород, соответственно больше
возможный теплосъём. Более точные данные можно получить после соответствующих исследований на объекте.

Так как теплопроводность грунтов довольно незначительна, металлические
трубы для грунтовых теплообменников применять совсем не обязательно, вполне возможно применение пластиковых труб.

Возьмём распространённую ПНД трубу.
теплопроводность ПНД около 0,4 Вт/м*К


коэффициенты теплопередачи одного погонного метра ПНД трубы
в скобках указана средняя площадь поверхности теплообмена

ПНД 20 х 2,0 (0,056м2) 11,2 Вт/К
ПНД 25 х 2,5 (0,07 м2) 11,2 Вт/К
ПНД 32 х 3,2 (0,09 м2) 11,2 Вт/К
ПНД 40 х 4,0 (0,11 м2) 11,2 Вт/К
ПНД 50 х 5,0 (0,14 м2) 11,2 Вт/К
ПНД 63х 6,5 (0,18 м2) 11,2 Вт/К

11,2 Вт/К - это столько ватт может отнять у грунта метровый отрезок трубы
при перепаде температур грунт/гликоль один градус.

Больше не позволит теплопроводность материала, в нашем случае ПНД.
В случае применения стали или меди можно отнять в сто или тысячу раз больше, но в грунте к сожалению столько нет.
Вполне хватит теплопроводности ПНД.
Но применять трубы с более толстой стенкой или материалы с меньшей теплопроводностью, чем у ПНД, в одну нитку уже нежелательно. Будет неоправданно расти перепад температур между гликолем и грунтом.

для сравнения

сталь 25 х 2,5 (0,07 м2) 1400 Вт/К
медь 9,5 х 0,9 (0,027 м2) 12000 Вт/К

Кроме того, оказывается труба со стандартной толщиной стенки, независимо от диаметра, с одного погонного метра может дать один и тот же теплосъём с градуса перепада температуры.
Если используется стандартный ряд 20, 25, 32, 40, 50, 63 в которых
наружный диаметр предыдущего размера является внутренним диаметром
следующего, то прирост коэффициента теплопередачи из-за увеличения теплообменной площади нейтрализуется увеличением толщины стенки трубы.
Для ПНД труб это значение составляет 11 Вт/К с погонного метра трубы любого диаметра, от 20 до 63, со стандартной толщиной стенки.

Можете посчитать сами, скажем для трубы 40 с толщиной стенки 4 мм
0,4 теплопроводность ПНД / 0,004 толщина в метрах = 100 Вт/(м2*К)
(0,04 + 0,032)/2 * 3,1415 = 0,112 м2 средняя площадь теплообменной поверхности.
0,112 * 100 = 11,2 Вт/К

Для горизонтальных коллекторов этого вполне достаточно, 10-20 Вт при перепаде 1-2 градуса можно снять одной ниткой ПНД. Диаметр трубы подбирается только исходя из гидравлического расчета контура, расход теплоносителя при этом должен обеспечивать перенос теплоты, снимаемой по всей протяженности контура с минимально возможной дельтой.

При вертикальном зонде, как отмечалось выше, грунт иногда способен дать 50 Вт с погонного метра.
В этом случае U – образный двухтрубный зонд с учётом паразитного теплообмена способен поглотить (11+11)-30%= 15 Вт/К с погонного метра.
При поглощении 50 Вт тепла от грунта перепад температур между зондом и грунтом будет немногим более 3 градусов. Применяя двойной U – образный четырёхтрубный зонд можно добиться снижения перепада температур до 2-2,5 градусов.
Дальнейшее наращивание числа труб в единичном зонде по всей видимости смысла не имеет.

Теплопроизводительность зонда теоретически предсказать
непросто. Нужен геологический разрез именно в месте бурения.
Гравий имеет теплопроводность около 1 Вт/м*К , увеличить теплопроводность может хорошее водонасыщение горизонта.
Граниты и базальты обладают теплопроводностью 2,5-3,5 Вт/м*К
Остальные камни, которых множество видов имеют 1,3 -2,5 Вт/м*К
Ракушечник 2,1-2,4 бетон 1,5 -1,9 кирпич 0,25 - 0,9 в зависимости от пор.
Чем больше пор в камне, тем хуже теплопроводность.
Газы в порах ухудшают теплопроводность.
А вода в порах теплопроводности уже не помогает, так как перемещаться ей там затруднительно, а сама вода имеет теплопроводность всего 0,58 Вт/м*К

Я надеюсь перед тем как делать грунтовый коллектор или зонд каждый всё же постарается определиться с составом почвы под ногами или доверится специалисту.