W przypadku realizacji inwestycji z gruntową pompą ciepła, konkretnie z pionowymi wymiennikami ciepła, istotnym zagadnieniem jest optymalny dobór głębokości wymienników oraz ich ilości.

Bazując na danych literaturowych, często można doprowadzić do sytuacji przewymiarowania dolnego źródła ciepła, co determinuje wzrost kosztów inwestycji. Przy układach o dużej mocy zainstalowanej, gdzie mamy do czynienia z pracą kaskady pomp ciepła, zaleca się wykonanie testu reakcji termicznej, który dostarcza informacji o parametrach termicznych górotworu.

Przedmiotem testu reakcji termicznej (Thermal Response Test, TRT) są gruntowe otworowe wymienniki ciepła [Gonet i in., 2011]. Są to zamknięte obiegi rur wypełnionych płynem pośredniczącym, umieszczone pionowo w gruncie, w specjalnie do tego celu wykonanych otworach, tworzące instalację dolnego źródła, odbierającą ciepło niskotemperaturowe zakumulowane w gruncie. (…)

Dlaczego warto wykonać TRT? W zależności od zapotrzebowania na moc grzewczą budynku ustala się długość i ilość obiegów dolnego źródła dla gruntowej pompy ciepła. Ustalenia te podejmuje się najczęściej w oparciu o wyliczenia ilości ciepła możliwej do odebrania od gruntu, na podstawie tabelarycznych wartości współczynnika przewodności cieplnej l. Test reakcji termicznej pozwala na wyznaczenie takiej ilości w oparciu o wartość współczynnika, pomierzoną na miejscu projektowanej instalacji.

Jak już wspomniano TRT służy do testowania otworowego wymiennika ciepła, w którym realizowany jest obieg (płynu odbierającego energię cieplną zakumulowaną w gruncie) dolnego źródła ciepła. Najczęściej stosowanym typem wymiennika pionowego jest tzw. U-rurka – to przewód polietylenowy o charakterystycznym zakończeniu na dnie otworu w kształcie litery U umieszczony pionowo w otworze wiertniczym. Są też wymienniki z 2 lub 3 U-rurkami w jednym otworze. (…)

Sposób wykonywania Testu Reakcji Termicznej
Sprzęt do wykonywania testu posiada stosunkowo prostą budowę. Składa się z pompy cyrkulacyjnej, zbiornika z płynem, źródła ciepła o stałej mocy grzewczej, czujników temperatury oraz rejestratora. Dobrze odizolowany termicznie sprzęt (aby warunki atmosferyczne nie zaburzały pomiaru) przyłącza się do wymiennika otworowego i wypełnia płynem, zamykając w ten sposób obieg wymiennika. Pompa ciepła przy pomocy wymienników otworowych pobiera ciepło z gruntu, natomiast w konstrukcji sprzętu do TRT występuje element grzewczy o stałej mocy – grzałka. Pierwsza maszyna do wykonywania TRT, zbudowana przez studentów z politechniki w Sztokholmie w 1983 roku, zawierała urządzenie chłodnicze. (…)

Wyniki dostarczane przez TRT Podczas wykonywania TRT rejestrowane są pomiary temperatury w określonym czasie trwania testu. Mierzona jest niezaburzona temperatura gruntu oraz temperatura płynu wprowadzanego (ogrzanego) i powracającego (ochłodzonego). Temperatury te mierzy się i rejestruje na powierzchni gruntu, więc są to wartości uśrednione, czyli takie, na które oddziałuje zarówno wszystkie warstwy budujące profil otworu, jak i występowanie wód gruntowych. Niezaburzona temperatura gruntu T gruntu obrazuje średnią temperaturę gruntu, w którym wykonany jest odwiert. (…)

Należy pamiętać, że wyznaczone wartości są wartościami uśrednionymi, dlatego istotne jest wykonanie badań hydrogeologicznych w rejonie otworowego wymiennika ciepła [Gonet i in., 2011]. Występowanie wód gruntowych znacząco wpływa na przewodność cieplną gruntu, przekładając się na jej wzrost. Należy jednak pamiętać, że przepływ wolnej wody gruntowej ma negatywny wpływ na odbiór ciepła, ze względu na konwekcyjny transport ciepła zachodzący podczas przemieszczania się wody [Wajman, 2011].

Obecny stan wiedzy pozwala stwierdzić, że przy systemie opartym na otworowych wymiennikach ciepła, składającym się z 10 lub więcej pionowych wymienników, wykonanie testu TRT pozwala na zmniejszenie przeszacowania wielkości mocy całego systemu, a co za tym idzie uzyskanie realnych oszczędności finansowych [Wajman, 2011].

Literatura:
•     Acuña J. 2010. Improvements of U-pipe Borehole Heat Exchanger. Licentiate Thesis in Energy Technology. Stockholm: KTH, Sweden
•     Wajman M. 2011. Metody pomiarowe badania warunków pracy pionowych sond gruntowych – testy TRT i DTRT. Technika Chłodnicza i Klimatyzacyjna, Nr 12/2011, str. 438-444
•     Gonet A., Śliwa T., Stryczek S., Sapińska-Śliwa A., Jaszczur M., Pająk L., Złotkowski A. 2011. Metodyka identyfikacji potencjału cieplnego górotworu wraz z technologią wykonywania i eksploatacji otworowych wymienników ciepła. Wydawnictwa AGH, Kraków
•     Wojdyła M. 2013. Testowanie otworowych wymienników ciepła dla celów optymalizacji parametrów i układu wymienników dolnego źródła dla gruntowej pompy ciepła [w: ] Dokonania naukowe doktorantów: nauki inżynieryjne, T. 2 / pod red. Marcina Kuczery. – Kraków: CREATIVETIME, 2013
Magda Wojdyła
AGH Akademia Górniczo-Hutnicza Wydział Geologii,
Geofizyki i Ochrony Środowiska, Katedra Surowców Energetycznych

Cały artykuł w numerze 3/2014
2014 03 GLOBEnergia