КОАКСИАЛЬНЫЙ ГЕОТЕРМАЛЬНЫЙ ЗОНД И СПОСОБ ЕГО МОНТАЖА ПОД ЗЕМЛЕЙ Российский патент 2017 года по МПК F24J3/08 

Изобретение касается коаксиального геотермального зонда согласно ограничительной части независимого пункта 1 на устройство. Данное изобретение касается также способа монтажа под землей коаксиального геотермического зонда согласно изобретению в соответствии с ограничительной частью независимого пункта на способ.

Предсказуемое уменьшение запасов ископаемых энергоносителей и необходимость снижения выделения в атмосферу вредных веществ и CО₂ привели в сфере производства тепла привели к переосмыслению ситуации и к использованию альтернативных, возобновляемых, источников энергии, в частности к использованию безвредных технологий. Одна особенно привлекательная форма производства тепла заключается в использовании геотермальных ресурсов. Теплота Земли или геотермальная энергия представляет собой накопленную в форме тепла энергию под земной поверхностью. Уже на глубине примерно 10-20 м под земной поверхностью грунт имеет в течение года приблизительно постоянную температуру, которая повышается по мере роста глубины. Естественный температурный градиент грунта составляет около 0,03 K/м глубины. Эта температура определяется тепловым потоком из глубоких слоев Земли. Добыча тепла осуществляется, как правило, с помощью геотермальных зондов, которые встраиваются в вертикальные, герметично забутованные скважины, обычно глубиной 50-350 м. Геотермальный зонд берет на себя задачу, имеющуюся в грунте явную тепловую энергию передать циркулирующей в этом зонде среде-теплоносителю, которая транспортирует эту тепловую энергию из грунта на поверхность. Там эта тепловая энергия, как правило, передается второй среде-теплоносителю, которая циркулирует в тепловом насосе.

Обычные геотермальные зонды выполнены большей частью как U-образные трубные зонды, в которых среда-теплоноситель по одному колену трубы течет с поверхности к основанию скважины для геотермального зонда, т.е. сверху вниз. По другому колену трубы циркулирующая нагретая среда-теплоноситель течет от основания скважины к поверхности, т.е. снизу-вверх. При подъеме среда-теплоноситель постоянно отдает часть аккумулированной тепловой энергии среде-теплоносителю, циркулирующей вниз в соседнем колене трубы и в окружающий ее более холодный грунт. Вследствие этой нежелательной теплоотдачи эксергетический КПД U-образного трубного зонда довольно скромен. Для повышения КПД поэтому часто используют коаксиальные геотермальные зонды. Среда-теплоноситель в коаксиальных геотермальных зондах течет по наружному кольцевому зазору от поверхности к дну скважины, при этом она воспринимает имеющеюся в грунте явную тепловую энергию, и снова течет обратно через центральную колонковую трубу вверх, к поверхности. Если у таких коаксиальных геотермальных зондов эта центральная колонковая труба термически изолирована, то эксергетический КПД может быть значительно повышен по сравнению с КПД U-образных трубных зондов.

В то время, как глубинные коаксиальные геотермальные зонды с изолированной колонковой трубой по сравнению с другими известными типами геотермальных зондов имеют большое эксергетическое преимущество в отношении качества пригодного для использования потока тепла, они, к сожалению, обладают тем недостатком, что велико падение давления среды-теплоносителя. Обусловлено это тем, что большая часть находящегося в распоряжении поперечного сечения скважины для геотермического зонда уходит на поперечное сечение теплоизоляции центральной колонковой трубы, на относительно большую толщину стенки трубчатой оболочки коаксиального геотермального зонда и, в частности, на инъецируемый после установки зонда наполнительный слой, например, смесь из бентонита и цемента, между трубчатой оболочкой зонда и окружающим грунтом. Чистая площадь поперечного сечения для транспортировки среды-теплоносителя из-за этого сильно уменьшается.

Задачей данного изобретения является, поэтому, создание коаксиального геотермального зонда, который обладает незначительным падением давления циркулирующей среды-теплоносителя и обеспечивает больший отбор тепловой энергии из окружающего грунта средой-теплоносителем. Предлагается также способ монтажа в грунте коаксиального геотермального зонда согласно изобретению, обеспечивающий максимально простое и экономичное осуществление и учитывающий требования по защите окружающей среды и водных ресурсов.

Решение данной задачи реализуется в коаксиальном геотермальном зондe с центральной колонковой трубой и трубчатой оболочкой, которая ограничивает кольцевой зазор, проходящий радиально наружу от колонковой трубы, причем колонковая труба и кольцевой зазор выполнены с возможностью протекания по ним текучей среды-теплоносителя. Согласно изобретению трубчатая оболочка коаксиального геотермального зонда во встроенном его состоянии примыкает непосредственно к стенкам скважины для геотермального зонда.

Основная концепция данного изобретения заключается в том, чтобы модифицировать коаксиальный геотермальный зонд таким образом, что во встроенном состоянии зонда можно отказаться от засыпки кольцевого зазора между стенкой скважины геотермального зонда и трубчатой оболочкой коаксиального геотермального зонда. Коаксиальный геотермальный зонд выполнен таким образом, что он непосредственно примыкает к стенкам скважины. Благодаря этому существенно увеличивается предоставляемое для транспортировки среды-теплоносителя живое сечение коаксиального геотермального зонда. Содержащаяся в окружающем грунте тепловая энергия через трубчатую оболочку коаксиального геотермального зонда передается непосредственно среде-теплоносителю. За счет это предотвращаются потери за счет материала засыпки, обычно из смеси бентонита и цемента. Трубчатая оболочка прижимается к стенкам скважины геотермального зонда под действием среды-теплоносителя, циркулирующей в центральной колонковая трубе и в кольцевом зазоре, чтобы предотвратить гидравлическое соединение друг с другом слоев воды, через которые прошла скважина.

Один из вариантов осуществления изобретения предусматривает, что колонковая труба и кольцевой зазор выполнены с возможностью протекания по ним воды в качестве среды-теплоносителя. Использование воды в качестве среды-теплоносителя обеспечивает дополнительную безопасность в отношении защиты окружающей среды и водных ресурсов, поскольку даже при утечках не может возникнуть никаких загрязнений. Это позволяет использовать предлагаемый изобретением коаксиальный геотермальный зонд даже в тех областях, в которых это раньше было запрещено по причинам защиты грунтовых вод.

Один предпочтительный вариант осуществления изобретения предусматривает, что трубчатая оболочка коаксиального геотермального зонда образована расширяющейся за счет повышенного внутреннего давления рукавной оболочкой. Способность к расширению и эластичность такой рукавной оболочки позволяет ей идеально прижиматься к стенками скважины геотермального зонда, чтобы таким путем добиться максимально хорошего контакта для передачи тепловой энергии и при этом надежно герметизировать случайно пробуренные водоносные горизонты.

Чтобы облегчить монтаж коаксиального геотермального зонда в скважине для геотермального зонда, составляющей, например, около 450 м, причем глубина может достигать 1500 м, согласно другому варианту выполнения изобретения предусматривается, что рукавная оболочка охватывает колонковую трубу в сложенном состоянии, а после введения в скважину для геотермального зонда она может расширяться до стабильного окончательного размера под воздействием текучей среды, подводимой при повышенном давлении. Такая расширенная оболочка дополнительно выполняет при этом функцию «стента», который стабилизирует скважину.

Поскольку в еще одном варианте выполнения изобретения расправленная рукавная оболочка имеет диаметр, который больше, чем диаметр скважины, предназначенной для геотермального зонда, то тем самым гарантируется, что смонтированная, расправленная и, соответственно, расширенная оболочка, которая образует трубчатую оболочку коаксиального геотермального зонда, в совершенно заполненном состоянии все еще имеет изнутри легкие складки нерегулярной формы. Эти складки создают дополнительное повышение жесткости для стенок рукава. Одновременное уменьшение объема кольцевого зазора при этом, напротив, получается небольшим и практически никак не влияет на сопротивление потоку среды-теплоносителя.

Может быть также предусмотрено, что рукавная оболочка коаксиального геотермального зонда при превышении заданного максимального значения относительного избыточного давления по меньшей мере на отдельных участках является ограниченно проницаемой для среды-теплоносителя, в частности для воды. Это позволяет предотвратить разрыв оболочки при расширении в трещины или каверны, которые могут случайно образовываться при сооружении скважины для геотермального зонда из-за больших выбросов материала. Маленькие каверны заполняются водой, выдавливаемой наружной оболочкой. При пустых щелях или полостях большего размера обусловленная повышенным давлением проницаемость оболочки для воды гарантирует, что эта оболочка будет расширяться лишь до тех пор, пока не будет достигнуто ее надежное герметичное прилегание к стенкам скважины. Эта оболочка при этом лишь ограниченно заходит внутрь щелей или каверн; благодаря этому предотвращается чрезмерное растяжение материала. Материал оболочки при этом выбирается таким, чтобы максимальное относительное избыточное давление, которое должно достигаться до того, как вода начнет выступать сквозь эту оболочку, составляло около 2-3 бар. Ограниченную проницаемость для воды при этом целесообразно ограничить теми областями оболочки, которые в смонтированном состоянии геотермального зонда находятся в твердом грунте, в частности в скальной породе. Близкую к поверхности область, которая примыкает к рыхлому грунту, целесообразно выполнять водонепроницаемой. Так как при сооружении скважины для геотермального зонда очень точно определяется граница между рыхлым грунтом и скальной породой, то геотермальный зонд может быть точно подогнан под конкретные местные условия.

В еще одном варианте осуществления коаксиального геотермального зонда центральная колонковая труба и наружная рукавная оболочка интегрально соединены друг с другом и находятся в виде бесконечного рулонного материала. Для помещения в сооруженную скважину для геотермального зонда указанный коаксиальный геотермальный зонд разматывают с барабана на требуемую длину. На месте потребуется только установить доставленную интегральную систему из колонковой трубы и предпочтительно уложенной складками оболочки в эту скважину для геотермального зонда. Для этого указанный коаксиальный геотермальный зонд просто разматывают с барабана на нужную длину. Если имеющейся на этом барабане длины не достаточно, то перед введением в эту скважину для геотермального зонда или во время введения дополнительный отрезок геотермального зонда требуемой длины отмотать со следующего барабана и герметично соединить его концевой участок с концом первого отрезка, чтобы получить зонд требуемой длины.

В порядке альтернативы можно также предусмотреть коаксиальный геотермальный зонд, у которого центральная колонковая труба и интегрально с ней соединенная рукавная оболочка были нарезаны на отрезки определенной длины. Такие отрезки при помещении в скважину для геотермального зонда могут соединяться друг с другом непроницаемо для жидкости. Такой вариант может найти применение, например, для менее гибких, соответственно, для жестких трубчатых зондов.

В другом варианте выполнения коаксиального геотермального зонда центральная колонковая труба и расширяемая рукавная оболочка поставляются отдельно друг от друга. При этом оболочка получена из плоского бесконечного рулонного материала, который соединяется с центральной колонковой трубой только при ее введении в скважину, причем продольные кромки рукавной оболочки соединяются друг с другом непроницаемо для жидкости.

Герметичное соединение продольных сторон бесконечного рулонного материала, образующего рукавную оболочку, осуществляют, например, сшиванием и/или сваркой прилегающих областей в специально для этого предназначенных соединительных устройствах.

В качестве рукавной оболочки, образующей трубчатую оболочку коаксиального геотермального зонда, может с успехом использоваться комбинированная полимерная пленка, которая может иметь толщину от примерно 3 мм до 15 мм. Толщины пленки в 3 мм достаточно при длинах до около 450 м, чтобы выдерживать собственный вес комбинированной полимерной пленки. При больших длинах коаксиального геотермального зонда выбирают соответственно более толстую пленку для рукавной оболочки. Наружная оболочка требует небольшого объема, однако в расширенном состоянии обладает достаточно большой стабильностью формы.

В одном варианте осуществления изобретения предусмотрено, что оболочка снабжена армированием из цельнотянутого алюминия, на которую с обеих сторон помещена эластичная полимерная мембрана. Эта полимерная мембрана состоит, например, из полиэтилена, латекса, каучука или подобного материала и снабжена микроперфорациями. Центральная колонковая труба в одном из предпочтительных вариантов осуществления изобретения окружена теплоизоляционной оболочкой. Такая теплоизоляционная оболочка препятствует тому, чтобы поднимающаяся в колонковой трубе нагретая среда-теплоноситель отдавала часть своего тепла обратно среде-теплоносителю, текущей в кольцевом зазоре вниз. Благодаря этому может быть повышен термический КПД коаксиального геотермального зонда.

При предлагаемом согласно изобретению способе монтажа коаксиального геотермального зонда в грунте, как известно из уровня техники, сначала с помощью бурового устройства бурят скважину для геотермального зонда. Глубина скважины составляет, например, от 300 м до 500 м и может достигать 1500 м. Затем выполненный согласно изобретению коаксиальный геотермальный зонд погружают в подготовленную скважину. После введения коаксиального геотермального зонда уложенную складками рукавную оболочку, которая окружает снабженную изоляцией колонковую трубу и одновременно образует ограничительную стенку трубчатой оболочки коаксиального геотермального зонда, сначала расправляют таким образом, что она по существу прилегает к стенкам скважины. При предлагаемом способе коаксиальный геотермальный зонд монтируется в скважине для геотермального зонда, что рукавная наружная оболочка, одновременно образующая ограничительную стенку трубчатой оболочки коаксиального геотермального зонда, прилегает непосредственно к стенкам скважины. Благодаря этому предотвращается образование кольцевого зазора между указанной ограничительной стенкой трубчатой оболочки и стенкой скважины, который необходимо забутовывать в случае сооружения геотермальных зондов согласно уровню техники. Тем самым, при способе согласно изобретению, отпадает необходимость в операции впрыскивания наполнительного материала, обычно смеси из бентонита и цемента. Такой непосредственный контакт между образованной расширившейся оболочкой ограничительной стенкой трубчатой оболочки со стенками скважины способствует передаче тепловой энергии грунта в циркулирующую в коаксиальном геотермальном зондe среду-теплоноситель, которая в данном изобретении предпочтительно представляет собой воду. За счет отпадения необходимости в операции забутовывания находящееся в распоряжении циркулирующей среды-теплоносителя живое сечение потока существенно увеличивается по сравнению с геотермальными зондами согласно уровню техники. Благодаря этому по длине коаксиального геотермального зонда получается меньшее падение давление, что напрямую положительно сказывается на затратах энергии на перекачку среды-теплоносителя. Для введения коаксиального геотермального зонда в скважину для этого геотермального зонда уложенную складками наружную оболочку можно окружить очень тонкой фольгой. Эта тонкая фольга выполнена таким образом, что она рвется при относительно небольшом избыточном давлении, и тогда оказывается возможным расправление оболочки, сначала уложенной складками.

В одном варианте осуществления способа согласно изобретению расширение уложенной складками рукавной оболочки коаксиального геотермального зонда происходит с помощью сжатого воздуха. При этом уложенная складками оболочка с помощью сжатого воздуха, который предпочтительно подается через центральную колонковую трубу в коаксиальный геотермальный зонд с избыточным давлением, раздувается до полного диаметра. На другом конце центральной колонковой трубы расположен регулируемый источник тепла, предпочтительно инфракрасный излучатель. Центральная колонковая труба с регулируемой скоростью вытягивается от дна скважины до поверхности, чтобы расширенную рукавную оболочку кратковременно нагреть в отдельных зонах. Вследствие избыточного давления и незначительной вязкости материала оболочки в нагретых зонах возникает пластическая деформация. Материал оболочки при этом вдавливается в мелкие каверны стенок скважины. Вследствие термического контакта с более холодным грунтом материал оболочки охлаждается ниже своей критической температуры текучести и сохраняет свою форму. После этого колонковая труба снова опускается в свою исходную позицию.

Во избежание чрезмерного растяжения расширенной оболочки в области более крупных каверн в стенках скважины, в одном из вариантов изобретения предусмотрено размещение в рукавной оболочке датчиков для измерения упомянутого растяжения, соответственно, выпучивания в отдельных зонах. При достижении некоторого предельного значения скорость перемещения источника тепла повышается, т.е. этот источник тепла движется в направлении поверхности быстрее, чтобы тем самым ограничить пластическую деформацию. Установленные в оболочке датчики позволяют, таким образом, регулировать пластическую деформацию оболочки. Благодаря этому предотвращаются повреждения оболочки из-за чрезмерного вздутия.

В одном альтернативном варианте способа монтажа коаксиального геотермального зонда в грунте предусмотрено, что расширение уложенной складками рукавной оболочки коаксиального геотермального зонда происходит за счет воды, которая заливается сверху в кольцевой зазор между центральной колонковой трубой и уложенной складками оболочкой. Этот способ подходит, в частности, для коаксиальных геотермальных зондов, в которых воду используют в качестве среды-теплоносителя. При этом вода, которая сначала используется для расширения, соответственно, расправления рукавной оболочки, затем может использоваться также в качестве среды-теплоносителя. Такое расширение этой рукавной оболочки происходит от дна скважины вверх, в направлении поверхности. Давление в более глубоких областях скважины больше, чем в сторону поверхности. За счет расправления и увеличения объема рукавной оболочки вода, большей частью, находящаяся между оболочкой и стенками скважины, выдавливается в сторону поверхности. В области более крупных каверн оболочка продолжает растягиваться и частично проникает в эти каверны. Поскольку материал оболочки после относительного избыточного давления от 2 бар до 3 бар становится частично проницаемым для подводимой воды, то вода изнутри коаксиального геотермального зонда выступает в эту каверну. Благодаря этому предотвращается чрезмерное растяжение материала оболочки.

Один вариант способа расширения водой предусматривает, чтобы после окончательного заполнения центральной колонковой трубы до самой поверхности и некоторого времени выдержки давление на водяной столб в центральной колонковой трубе непрерывно или ступенчато повышалось до некоторого избыточного давления примерно от 12 бар до примерно 15 бар. Время выдержки может составлять от нескольких минут до двух дней. Упомянутое время выдержки необходимо для того, чтобы мелкие каверны в стенках скважины полностью заполнились водой, которая выступает через проницаемую оболочку и которая может вытеснить содержащийся в этих кавернах воздух. Более крупные каверны или пустые щели, естественно, не могут быть полностью заполнены водой. Здесь будет достаточно, если оболочка в ограниченной степени выпучится внутрь этих каверн или щелей. Указанное избыточное давление поддерживается в течение некоторого времени, чтобы оболочка расширилась в требуемой степени. Этот промежуток времени может составлять от 30 с до 1,5 часов. Путем последующего повышения давления на водяной столб в центрально колонковой трубе указанная рукавная оболочка еще плотнее прижимается к стенкам скважины. Складки разглаживаются или частично сдавливаются. Благодаря этому материал оболочки в этих местах вытягивается, т.е. пластически деформируется, не образуя при этом мест утечки. Несжимаемая вода в кавернах и проницаемость оболочки препятствуют слишком сильной деформации этой оболочки. Если давление воды в кавернах вследствие вдавливания материала оболочки слишком велико, то вода снова может вытечь через проницаемый материал оболочки в кольцевое пространство между центральной колонковой трубой и рукавной оболочкой, чтобы таким образом снова скомпенсировать давление.

Выполненный согласно изобретению коаксиальный геотермальный зонд с центральной колонковой трубой, которая снабжена теплоизоляционной оболочкой, и с рукавной оболочкой, которая из первоначального уложенного складками состояния переведена в стабильное расширенной состояние и одновременно образует трубчатую оболочку коаксиального геотермального зонда, а в смонтированном состоянии коаксиального геотермального зонда прилегает к стенкам скважины геотермального зонда, пригоден, в частности, для эксплуатации с водой в качестве среды-теплоносителя. Вода в качестве среды-теплоносителя обладает тем преимуществом, что она даже при намеренном или непреднамеренном выступании среды-теплоносителя из коаксиального геотермального зонда не может привести к загрязнению окружающей среды. Благодаря этому коаксиальный геотермальный зонд согласно изобретению пригоден, в частности, и для использования в тех областях, которые до сих пор были под запретом в целях защиты грунтовых вод.

Другие преимущества и признаки данного изобретения явствуют из нижеследующего описания примеров осуществления со ссылкой на схематичные чертежи. На них без соблюдения масштабов показано следующее:

Фиг. 1 - принцип приготовления нагретой воды с помощью геотермального зонда согласно уровню техники.

Фиг. 2 - скважина для геотермального зонда.

Фиг. 3 - поперечное сечение расположенного в скважине коаксиального геотермального зонда согласно уровню техники с термически изолированной центральной колонковой трубой и трубчатой оболочкой.

Фиг. 4 - поперечное сечение расположенного в скважине для геотермального зонда коаксиального геотермального зонда согласно изобретению с термически изолированной центральной колонковой трубой и расширяемой рукавной оболочкой.

Фиг. 5 - схематичное изображение погруженного в скважину коаксиального геотермального зонда с частично расширенной рукавной оболочкой для пояснения способа монтажа.

На представленных на Фиг. 1-5 изображениях одни и те же элементы или конструктивные части снабжены соответствующими друг другу ссылочными позициями.

Схематичный вид в разрезе по Фиг. 1 показывает принцип известной технологии геотермальных зондов на примере обогрева здания B. Для этого геотермальный зонд 5, вставленный в скважину 1 для геотермального зонда, глубина которой составляет примерно 50-350 м, посредством подводящей линии 8 соединен с тепловым насосом 7. Тепловой насос 7 снабжает нагревательную систему 8 здания B необходимым количеством горячей воды. Вставленный в скважину 1 геотермальный зонд 5 представляет собой теплообменник, в котором циркулирует жидкость. Согласно представленному примеру осуществления геотермальный зонд 5 содержит четыре трубы зонда из полиэтилена, которые попарно собраны в соответствующие U-образные трубы и посредством подводящей линии 8 соединены с тепловым насосом 7. Эти трубы зонда имеют диаметр, например, 32 мм или 40 мм. Геотермальный зонд 5 продвигается вплоть до дна 3 скважины. Остающееся между геотермальным зондом 5 и стенками 2 скважины полое пространство компактно заполняется наполнителем 4, который обычно представляет собой смесь из бентонита и цемента, чтобы обеспечить хороший термический контакт между указанными трубами геотермального зонда 5 и стенками 2 скважины. В качестве наполнителя 4 можно рассматривать и другие материалы, которые обеспечивают достаточно хорошую теплопередачу. Например, известен также вариант способа, при котором в качестве наполнителя используется вода. Жидкость, циркулирующая в трубах зонда, представляет собой большей частью воду с содержанием антигеля 15-35%, отбирает из грунта G теплоту и снабжает этой геотермальной энергией тепловой насос 7. С помощью теплового насоса 7 температура повышается до уровня, требуемого для целей отопления. На Фиг. 1 также обозначено, что грунт G большей частью состоит из более близкого к поверхности мягкого грунта S и твердых скальных слоев R. Скважина 1 для геотермального зонда выполняется вплоть до захода в твердые скальные слои R, поскольку там возникают наиболее стабильные температурные параметры, которые зависят только от глубины скважины.

На Фиг. 2 схематично показано осевое сечение скважины 1 геотермального зонда. Стенки скважины здесь тоже обозначены позицией 2. Дно скважины обозначено ссылочной позицией 3. Диаметр скважины 1 геотермального зонда составляет, например, около 7,82 см до 15,24 см (3-8 дюймов). Грунт здесь тоже обозначен позицией G. Если бы грунт был компактным, однородным и сухим, тогда можно было бы просто опустить в скважину 1 для геотермального зонда термически изолированную центральную трубу. Стенки этой центральной трубы и скала ограничивают кольцевой зазор, который может быть заполнен средой-теплоносителем, которая в нагретом состоянии по теплоизолированной центральной трубе может транспортироваться к поверхности, чтобы там полученную тепловую энергию через теплообменник отдать на тепловой насос. Более холодная среда-теплоноситель затем снова транспортируется в направлении дна скважины 3. В реальности, однако, скважина геотермального зонда проходит не через массивную скалу, а через различные слои из рыхлого и более или менее твердого грунта, которые, например, содержат также различные водоносные горизонты L, W, которые в долгосрочной перспективе не должны перемешиваться. Например, водоносный горизонт W содержит загрязненную воду, тогда как водоносный горизонт L содержит чистую грунтовую воду, которая служит источником питьевой воды. Стенки 2 скважины часто имеют выкрошившиеся участки и каверны 9, которые могут еще больше увеличиться за счет вымывания водой. При монтаже геотермального зонда необходимо поэтому следить за тем, чтобы различные водоносные горизонты были надежно отделены друг от друга, а выкрошившиеся участки и каверны 9 были застабилизированы так, чтобы они не могли увеличиваться дальше.

Помимо показанного на Фиг. 1 геотермального зонда с парой U-образных труб из уровня техники известен также коаксиальный геотермальный зонд. На Фиг. 3 схематично показано поперечное сечение смонтированного в скважине 1, выполненной в грунте G, коаксиального геотермального зонда 10'. Он включает в себя центральную колонковую трубу 11', которая снабжена термической изоляцией 12'. Указанная термоизолированная центральная колонковая труба 11' окружена трубчатой оболочкой 14'. Стенка этой трубчатой оболочки 14' ограничивает кольцевой зазор 15', проходящий между наружной стенкой изоляции 12' и стенкой трубчатой оболочки 14'. Остающийся между стенкой 2 скважины и наружной стенкой трубчатой оболочки 14' кольцевой зазор 18 заполнен наполнителем, обычно смесью из бентонита и цемента. Задачей наполнителя является стабилизация стенок 2 скважины, надежное отделение друг от друга различных водоносных горизонтов и обеспечение максимально хорошей транспортировки тепловой энергии, содержащейся в грунте, в циркулирующую в коаксиальном геотермальном зондe 10' среду-теплоноситель. Из схематичного представления можно непосредственно видеть, что предоставляемое для транспортировки среды-теплоносителя живое сечение относительно мало по сравнению с собственно поперечным сечением скважины геотермального зонда, поскольку наполнитель занимает до трети поперечного сечения скважины. При эксплуатации известного коаксиального геотермального зонда 10' это ведет к увеличению падения давления по длине зонда и вытекающему отсюда относительно высокому энергопотреблению на циркуляцию среды-теплоносителя. Затраты на монтаж такого коаксиального геотермального зонда 10' согласно уровню техники относительно высоки не в последнюю очередь из-за требуемой операции нагнетания наполнителя в зазор 18.

На Фиг. 4 схематично представлено аналогичное показанному на Фиг. 3 поперечное сечение коаксиального геотермального зонда согласно изобретению. Одинаковые конструктивные элементы снабжены теми же ссылочными позициями, что и на Фиг. 3, однако без апострофа «'». Предложенный согласно изобретению коаксиальный геотермальный зонд, который в целом обозначен позицией 10, погружен в скважину 1 для геотермального зонда. Этот коаксиальный геотермальный зонд 10 содержит центральную колонковую трубу 11, которая окружена термоизоляцией 12. Позицией 14 обозначена расширяемая рукавная оболочка, которая на Фиг. 4 показана в уложенном складками состоянии. Эти складки обозначены ссылочной позицией 17. В расширенном состоянии рукавная оболочка 14 прилегает непосредственно к стенкам 2 скважины 1 для геотермального зонда. Зазор 18, имеющийся между оболочкой 14 и стенкой 2 скважины перед расправлением складок, исчезает при расширении оболочки 14, которая образует трубчатую оболочку коаксиального геотермального зонда 10, теперь прилегающую непосредственно к стенкам 2 скважины.

Отпадает необходимость в заполнении зазора 18 наполнителем. Поскольку наполнитель больше не нужен, то в распоряжении протекающей через коаксиальный геотермальный зонд 10 среды-теплоносителя остается явно большая площадь поперечного сечения, чем в коаксиальном геотермальном зонде согласно уровню техники. Благодаря этому можно использовать колонковую трубу 11, свободное поперечное сечение 13 которой составляет большую часть площади поперечного сечения скважины 1 геотермального зонда. В расширенном состоянии рукавной оболочки 14 кольцевой зазор 15 между термоизоляцией и оболочкой 14 тоже имеет бóльшую площадь поперечного сечения, чем в коаксиальном геотермальном зондe согласно уровню техники.

Рукавная оболочка 14, образующая трубчатую оболочку коаксиального геотермального зонда 10, с успехом может быть выполнена из комбинированной полимерной пленки и в зависимости от длины коаксиального геотермального зонда иметь толщину от примерно 3 мм до 15 мм. Толщина пленки 3 мм является достаточной при длинах до примерно 450 м, чтобы такая комбинированная полимерная пленка могла выдержать собственный вес. При бóльших длинах коаксиального геотермального зонда для рукавной оболочки выбирают соответственно бóльшую толщину пленки. Наружная оболочка занимает лишь небольшой объем, однако, в расширенном состоянии она обладает достаточно большой стабильностью формы. Небольшая толщина комбинированной полимерной пленки благоприятствует также теплопередаче от грунта G в циркулирующую в коаксиальном геотермальном зондe 10 среду-теплоноситель. Один из вариантов осуществления изобретения предусматривает, что оболочка 14 снабжена армированием из цельнотянутого алюминия, на которое с обеих сторон помещена эластичная полимерная мембрана. Такая полимерная мембрана выполнена, например, из полиэтилена, латекса, каучука или подобных материалов и снабжена микроперфорациями. За счет внутреннего давления цельнотянутый материал деформируется в желаемой степени и обеспечивает оболочке 14 требуемую стабильность. Согласно еще одному варианту осуществления изобретения можно предусмотреть, что наружная оболочка соединялась с внутренней трубой через расположенные на этой центральной внутренней трубе распираемые ребра или перемычки. Эти ребра или перемычки расположены с распределением по периметру внутренней трубы и по ее длине. Они распираются за счет повышенного внутреннего давления и в этом расправленном занимают стабильное окончательное положение. Они дополнительно поддерживают в радиальном направлении наружную оболочку и препятствуют ее схлопыванию.

На Фиг. 5 показан находящийся вблизи дна участок скважины 1 для геотермального зонда с установленным в нем, выполненным согласно изобретению коаксиальным геотермальным зондом 10. Этот чертеж служит для пояснения способа монтажа зонда в скважине 1. После сооружения скважины для геотермального зонда, которая может иметь глубину, например, от около 450 м до 1500 м, в нее помещается коаксиальный геотермальный зонд 10 согласно изобретению и вдвигается до дна 3 скважины 1. Коаксиальный геотермальный зонд 10 на своем обращенном к дну 3 скважины конце имеет головку 20 зонда, которая соединена с термически изолированной центральной колонковой трубой 11 и с расширяемой рукавной оболочкой 14, которая во время погружения коаксиального геотермального зонда 10 находится в уложенном складками состоянии. В головке 20 зонда предусмотрены проточные каналы (не показаны), которые соединяют внутреннюю трубу и кольцевой зазор между внутренней трубой 11 и оболочкой. Как уже упоминалось выше, коаксиальный геотермальный зонд 10 может иметь вид бесконечного рулонного материала или быть подготовлен в виде нарезанных на нужную длину отрезков, которые при введении в скважину для геотермального зонда соединяются друг с другом водонепроницаемо. И, наконец, термически изолированная центральная колонковая труба 11 и расширяемая рукавная оболочка 14 могут находиться также отдельно друг от друга. При этом оболочка образована из плоского бесконечного рулонного материала, который совмещается с центральной колонковой трубой только при введении последней, причем продольные кромки рукавной оболочки соединяются друг с другом водонепроницаемо. Головка 20 зонда облегчает введение коаксиального геотермального зонда 10, поскольку она тянет его вниз под действием своего веса и обеспечивает вытянутое положение центральной колонковой трубы 11. После того, как головка 20 зонда достигнет дна скважины 1 под геотермальный зонд, согласно первому варианту способа монтажа коаксиального геотермального зонда сверху медленно заполняют водой кольцевой зазор между термически изолированной центральной колонковой трубой 11 и уложенной складками оболочкой 14. При этом уложенная складками оболочка 14 расширяется снизу и плотно прижимается к стенкам 2 скважины. За счет этого увеличения объема рукавной оболочки 14 вода, находящаяся в промежутке 16 между оболочкой 14 и стенками 2 скважины, медленно выдавливается вверх. Если стенки 2 скважины имеют, например, каверну 9, то рукавная оболочка 14 частично проникает в нее, чтобы заполнить ее по меньшей мере отчасти выпучиной 18. Чтобы при большемерных кавернах 9 и щелях избежать чрезмерного растяжения или даже разрыва оболочки 14, эта рукавная оболочка 14 по меньшей мере на отдельных участках является ограниченно проницаемой для воды, начиная с относительной разности давлений от около 2 бар до 3 бар. Как только в оболочке 14 возникнет такое избыточное давление, вода выступит через эту оболочку 14 в каверну 9. Меньшие каверны таким образом заполнятся водой. Благодаря этому предотвращается образование дополнительных выпучиваний в оболочке 14. В случае большемерных каверн и щелей происходит лишь ограниченное выпучивание оболочки 14 в такую каверну, соответственно, щель, за счет чего по краям они надежно герметизируются. Оболочка выполнена предпочтительно таким образом, что она в близких к поверхности областях, которые в расширенном состоянии обычно прилегают к рыхлому грунту, является водонепроницаемой.

Наружный диаметр оболочки 14 в расширенном состоянии выбирают несколько большим, чем диаметр скважины 1 под геотермальный зонд; например, разница в диаметре составляет примерно 3-10%. Благодаря этому рукавная оболочка 14 после ее окончательного заполнения водой все еще имеет мелкие, обращенные внутрь складки, которые расположены неравномерно. Эти складки вызывают дополнительное повышение жесткости оболочки 14. После того, как центральная колонковая труба 11 тоже будет полностью заполнена водой, через некоторое время выдержки от около 5 мин до 48 час давление на водяной столб в колонковой трубе 11 непрерывно повышается вплоть до избыточного давления от около 12 бар до 15 бар и поддерживается в течение промежутка времени от около 30 с до 1½ час. Такое время выдержки необходимо для того, чтобы возможно имеющиеся в стенках 2 скважины мелкие каверны 9 полностью заполнились водой изнутри оболочки 14, а содержащийся в кавернах воздух мог быть полностью выдавлен. В случае каверн или щелей большего размера происходит лишь ограниченное расширение оболочки внутрь каверны или щели. Из-за повышения давления на водяной столб в колонковой трубе 11 оболочка 14 еще сильнее прижимается к стенкам 2 скважины. Еще имеющиеся складки частично распрямляются, частично сдавливаются. В этих местах материал оболочки растягивается, т.е. пластически деформируется, но не рвется. Благодаря этому повышается стабильность формы расширенной оболочки 14, образующей трубчатую оболочку коаксиального геотермального зонда 10. Несжимаемая вода в кавернах 9 между оболочкой 14 и стенками 2 скважины препятствует чрезмерному растяжению оболочки 14 и возникновению утечек в этих местах. Если вследствие вдавливания оболочки 14 в каверны 9 давление находящейся там воды повышается слишком сильно, то эта вода может вытечь из каверн 9 через оболочку 14 в кольцевой зазор 15. Сильное прижатие оболочки 14 к краям каверн 9 ведет к надежной герметизации и препятствует вертикальной циркуляции грунтовых вод и различных водоносных слоев. Прижатая к стенкам 2 скважины оболочка 14 стабилизирует стенки 2 скважины и препятствует дальнейшему выкрашиванию материала. Прилегающая непосредственно к стенкам 2 скважины оболочка и еще имеющиеся складки благоприятствуют переходу тепловой энергии из грунта G в среду-теплоноситель. После того, как коаксиальный геотермальный зондe 10 охарактеризованным выше образом будет установлен в скважине, его можно соединить с теплообменником теплового насоса и привести в действие. В качестве среды-теплоносителя в коаксиальном геотермальном зондe 10 используется залитая вода. Промежуточно подключенный напорный резервуар (не показан) постоянно обеспечивает в коаксиальном геотермальном зондe избыточное давление около 2-3 бар.

В одном из вариантов способа монтажа выполненного согласно изобретению коаксиального геотермального зонда 10 сначала уложенную складками рукавную оболочку 14 расширяют не водой, а сжатым воздухом. Эта уложенная складками рукавная оболочка 14 под действием избыточного давления раздувается до полного диаметра. Для этого сжатый воздух подается, например, через центральную колонковую трубу 11. На переднем конце этой колонковой трубы помещен источник тепла, например, инфракрасный излучатель. Вместе с колонковой трубой 11 он медленно вытягивается от дна скважины к поверхности. За счет медленно поднимаемого источника тепла расширенная под действием избыточного давления оболочка 14 в отдельных зонах нагревается. Вследствие этого избыточного давления и уменьшившейся за счет нагрева вязкости материала оболочки возникает пластическая деформация. Материал оболочки благодаря этому плотно прижимается к стенкам 2 скважины и проникает в мелкие поры и трещины. За счет термического контакта с более холодным грунтом материал оболочки быстро снова охлаждается ниже своей критической температуры плавления. Помещенный на переднем конце колонковой трубы источник тепла вытягивается наверх с регулируемой скоростью. Чтобы предотвратить чрезмерное расширение материала оболочки в области больших каверн 9, в этой оболочке установлены датчики, которые контролируют степень растяжения оболочки. Если достигнуто предельное значение растяжения оболочки 14, то источник тепла вытягивается быстрее. Тем самым в рассматриваемой зоне пластическая деформация ограничивается. Кроме того, большие каверны 9 и щели многократно заполняются водой. Вода является несжимаемой жидкостью и поэтому автоматически препятствует чрезмерному выпучиванию оболочки 14. После полного расширения и деформации оболочки колонковая труба снова продвигается вплоть до оставшейся на дне скважины головки зонда. Если коаксиальный геотермальный зонд 10 был смонтирован в скважине 1 таким образом, то его можно заполнить средой-теплоносителем, предпочтительно водой, и подключить к теплообменнику и тепловому насосу. Промежуточно можно подключить также напорный резервуар, чтобы в коаксиальном геотермальном зонде всегда поддерживалось избыточное давление около 2-3 бар.

Чтобы еще больше облегчить введение такого коаксиального геотермального зонда в скважину под геотермальный зонд, можно уложенную складками наружную оболочку заключить в очень тонкую пленку. Эта тонкая пленка выполнена таким образом, что она разрывается при относительно небольшом избыточном давлении, и тогда становится возможным расправление сначала уложенной складками оболочки.

Подробно описанные выше варианты выполнения коаксиального геотермального зонда и приведенные варианты способа его монтажа в скважине под геотермальный зонд служат лишь для разъяснения существа изобретения. Они никоим образом не ограничивают общую идею изобретения и не исключают эквивалентные варианты ее осуществления.

Изобретение относится к коаксиальному геотермальному зонду и способу его монтажа под землей, а также к способу эксплуатации геотермального зонда. Коаксиальный геотермальный зонд содержит центральную колонковую трубу (11) и выполненную с возможностью расширения трубчатую оболочку, которая ограничивает кольцевой зазор (15), проходящий от колонковой трубы наружу, причем колонковая труба (11) и кольцевой зазор (15) выполнены с обеспечением протекания по ним текучей среды-теплоносителя. Трубчатая оболочка образована рукавной оболочкой (14), выполненной с возможностью расширения под действием повышенного внутреннего давления, которая охватывает колонковую трубу (11) в уложенном складками состоянии и после введения в скважину (1) под геотермальный зонд под действием подводимой с избыточным давлением текучей среды принимает стабильную окончательную форму и во встроенном состоянии зонда (10) непосредственно примыкает к стенкам (2) скважины (1) под геотермальный зонд. Изобретение направлено на повышение отбора тепловой энергии из окружающего грунта. 3 н. и 20 з.п. ф-лы, 5 ил.

1. Коаксиальный геотермальный зонд, содержащий центральную колонковую трубу (11) и выполненную с возможностью расширения трубчатую оболочку, которая ограничивает кольцевой зазор (15), проходящий от колонковой трубы наружу, причем колонковая труба (11) и кольцевой зазор (15) выполнены с обеспечением протекания по ним текучей среды-теплоносителя, отличающийся тем, что трубчатая оболочка образована рукавной оболочкой (14), выполненной с возможностью расширения под действием повышенного внутреннего давления, которая охватывает колонковую трубу (11) в уложенном складками состоянии и после введения в скважину (1) под геотермальный зонд под действием подводимой с избыточным давлением текучей среды принимает стабильную окончательную форму и во встроенном состоянии зонда (10) непосредственно примыкает к стенкам (2) скважины (1) под геотермальный зонд.

2. Коаксиальный геотермальный зонд по п. 1, отличающийся тем, что диаметр рукавной оболочки (14) в расправленном состоянии больше, чем диаметр скважины (1) под геотермальный зонд (10).

3. Коаксиальный геотермальный зонд по п. 1 или 2, отличающийся тем, что колонковая труба (11) и кольцевой зазор (15) выполнены с обеспечением протекания по ним воды в качестве среды-теплоносителя.

4. Коаксиальный геотермальный зонд по п. 1 или 2, отличающийся тем, что рукавная оболочка (14), по меньшей мере, на отдельных участках является ограниченно проницаемой для среды-теплоносителя, в частности для воды, при превышении заданного максимального значения относительного избыточного давления.

5. Коаксиальный геотермальный зонд по п. 3, отличающийся тем, что рукавная оболочка (14), по меньшей мере, на отдельных участках является ограниченно проницаемой для среды-теплоносителя, в частности для воды, при превышении заданного максимального значения относительного избыточного давления.

6. Коаксиальный геотермальный зонд по п. 4, отличающийся тем, что это максимальное относительное избыточное давление составляет примерно от 2 бар до 3 бар.

7. Коаксиальный геотермальный зонд по п. 5, отличающийся тем, что это максимальное относительное избыточное давление составляет примерно от 2 бар до 3 бар.

8. Коаксиальный геотермальный зонд по п. 4, отличающийся тем, что расположенная вблизи поверхности зона рукавной оболочки, которая в смонтированном состоянии примыкает к рыхлому грунту, выполнена водонепроницаемой.

9. Коаксиальный геотермальный зонд по п. 5, отличающийся тем, что расположенная вблизи поверхности зона рукавной оболочки, которая в смонтированном состоянии примыкает к рыхлому грунту, выполнена водонепроницаемой.

10. Коаксиальный геотермальный зонд по п. 1 или 2, отличающийся тем, что центральная колонковая труба (11) и расширяемая оболочка (14) интегрально соединены друг с другом и выполнены в виде бесконечного рулонного материала и для введения в скважину (1) под геотермальный зонд сматываются с барабана на нужную длину.

11. Коаксиальный геотермальный зонд по п. 1 или 2, отличающийся тем, что центральная колонковая труба (11) и соединенная с ней интегрально расширяемая оболочка (14) выполнены в виде отрезков нужной длины, и эти отрезки при введении в скважину (1) под геотермальный зонд соединяются друг с другом герметично для жидкости.

12. Коаксиальный геотермальный зонд по п. 1 или 2, отличающийся тем, что центральная колонковая труба (11) и расширяемая оболочка (14) выполнены отдельно друг от друга, причем эта расширяемая оболочка (14) выполнена в виде плоского бесконечного рулонного материала и только при введении центральной колонковой трубы (11) сводится с ней воедино, причем продольные кромки оболочки (14) соединяются друг с другом герметично для жидкости.

13. Коаксиальный геотермальный зонд по п. 11, отличающийся тем, что герметичное для жидкости соединение осуществляется сшиванием и/или сваркой.

14. Коаксиальный геотермальный зонд по п. 12, отличающийся тем, что герметичное для жидкости соединение осуществляется сшиванием и/или сваркой.

15. Коаксиальный геотермальный зонд по п. 1 или 2, отличающийся тем, что расширяемая оболочка (14) выполнена из комбинированной полимерной пленки, толщина которой составляет от около 3 мм до около 15 мм.

16. Коаксиальный геотермальный зонд по п. 1 или 2, отличающийся тем, что оболочка снабжена армированием из цельнотянутого алюминия, на которое с обеих сторон помещена эластичная полимерная мембрана, выполненная предпочтительно из полиэтилена, латекса, каучука или подобных материалов и снабжена микроперфорациями.

17. Коаксиальный геотермальный зонд по п. 1 или 2, отличающийся тем, что центральная колонковая труба (11) снабжена термоизоляционной оболочкой (12).

18. Способ монтажа коаксиального геотермального зонда в грунте, при котором сначала с помощью бурильного устройства сооружают скважину (1) под геотермальный зонд, а затем в подготовленную скважину (1) опускают коаксиальный геотермальный зонд (10), отличающийся тем, что после введения коаксиального геотермального зонда (10) уложенную вначале складками рукавную оболочку (14), выполненную с возможностью расширения под действием повышенного внутреннего давления и одновременно образующую ограничительные стенки трубчатой оболочки коаксиального геотермального зонда (10), расширяют под действием подводимой с избыточным давлением текучей среды таким образом, что она принимает стабильную окончательную форму и по существу прилегает к стенкам (2) скважины (1) под геотермальный зонд.

19. Способ по п. 18, отличающийся тем, что расширение уложенной складками рукавной оболочки (14) коаксиального геотермального зонда осуществляют сжатым воздухом, который предпочтительно подводят через центральную колонковую трубу (11) зонда, и на центральной колонковой трубе (11) располагают регулируемый источник тепла, предпочтительно инфракрасный излучатель, который с регулируемой скоростью перемещается от дна скважины (3) вплоть до поверхности для кратковременного позонного нагревания расширяемой оболочки (14).

20. Способ по п. 19, отличающийся тем, что в расширяемой оболочке (14) располагают датчики для измерения позонного растяжения и скорость перемещения источника тепла регулируют в зависимости от измеренного растяжения материала оболочки.

21. Способ по п. 18, отличающийся тем, что расширение уложенной складками оболочки (14) коаксиального геотермального зонда (10) осуществляют посредством воды, которую подают сверху в кольцевой зазор (15) между колонковой трубой (11) и складчатой оболочкой (14).

22. Способ по п. 21, отличающийся тем, что после окончательного заполнения центральной колонковой трубы (11) вплоть до поверхности и через время выдержки от около 5 мин до 48 ч давление на водяной столб в центральной колонковой трубе (11) непрерывно или ступенчато повышают до избыточного давления от около 12 бар до около 15 бар и поддерживают его в коаксиальном геотермальном зонде (10) в течение временного интервала от около 30 с до 1,5 ч.

23. Способ эксплуатации коаксиального геотермального зонда (10), содержащего центральную колонковую трубу (11), которая снабжена теплоизоляционной оболочкой (12), и выполненную с возможностью расширения рукавную оболочку (14), которая под действием повышенного внутреннего давления переводится из первоначально уложенного складками состояния в стабильное расширенное состояние, образует трубчатую оболочку и в смонтированном состоянии коаксиального геотермального зонда (10) под действием подводимой с избыточным давлением текучей среды принимает стабильную окончательную форму и прилегает непосредственно к стенкам (2) скважины (1) под геотермальный зонд, при котором в качестве среды-теплоносителя используют воду.