Wykorzystywanie przypowierzchniowej energii geotermalnej coraz bardziej zyskuje na znaczeniu w obliczu globalnie rosnących cen energii, wymaganej na całym świecie redukcji emisji CO2 oraz wysokiej skuteczności i ekonomiczności rozwiązań energooszczędnych opartych na geotermii.

Obecnie w geotermii prawie wyłącznie stosuje się obiegi zamknięte (ang. closed loop installation). Mieszanka wodno-glikolowa przejmuje tutaj funkcję nośnika ciepła. Do lat 90. montowano głównie sondy podwójne U na głębokości do 100 m. Ze względu na wzrost temperatury gruntu wraz ze wzrostem głębokości i związaną z tym możliwą większą wydajnością grzewczą obserwujemy tendencję do stosowania coraz dłuższych sond geotermalnych. Znajduje to swoje zastosowanie szczególnie w termomodernizacji starego budownictwa, gdzie dostępna przestrzeń jest ograniczona ze względu na otaczającą zabudowę.

Obecnie technicznie możliwy jest montaż na głębokości kilkuset metrów, jednak powoduje to znacznie wyższe wymagania w stosunku do materiału stosowanego do produkcji sond niż kiedyś. Na znaczeniu zyskuje również stosowanie „chłodzenia geotermalnego” (ang. free cooling) oraz połączenie „ogrzewanie i chłodzenie geotermalne”. Nowoczesne systemy muszą być przygotowane również na szybką regenerację dolnego źródła ciepła, czyli gruntu np. poprzez wykorzystanie nadwyżki ciepła pochodzącego z kolektorów słonecznych. Ponadto musi być zapewniona niezawodność funkcjonowania przez kilkadziesiąt lat. Projektant jest zobligowany – w zależności od metody wykonywania odwiertu, jego głębokości, warunków gruntowych oraz wymaganej ilości pozyskiwanego ciepła – wybrać najodpowiedniejszą i najbardziej ekonomiczną sondę geotermalną dla danej inwestycji. Decyzja o wyborze materiału jest utrudniona z powodu braków w aktualnych standardach jakości oraz obowiązujących przepisach dotyczących badania sond geotermalnych oraz różniących się i częściowo niejasnych wypowiedziach w zakresie wytycznych montażowych i instrukcji do sond geotermalnych. Odpowiedź na pytanie, która generacja materiałów do produkcji sond geotermalnych będzie dla danej inwestycji najkorzystniejsza, znajduje się w dalszej części artykułu.

Nowoczesne materiały do produkcji podwójnych sond U
Nieustanny rozwój tworzyw poliolefinowych stosowanych do produkcji sond umożliwia obecnie wytwarzanie coraz bardziej wydajnych i bezpiecznych sond geotermalnych. Poziom obciążeń, jakie konkretnie oddziałują na geotermalny system rur ciśnieniowych w gruncie podczas układania oraz w trakcie wieloletniego użytkowania może być różny w zależności od wybranej metody montażu, warunków otaczającego gruntu, obecności stagnującej wody gruntowej, wybranej głębokości odwiertu, materiału wypełniającego oraz opcji „ogrzewania” lub „chłodzenia”. W każdym przypadku musi być zapewnione prawidłowe funkcjonowanie instalacji geotermalnej przez cały okres użytkowania. W przypadku nowoczesnych systemów sond geotermalnych, przy standardowej temperaturze i ciśnieniu roboczym, okres użytkowania powinien wynosić co najmniej 50, a najlepiej 100 lat. Przy szacowaniu obciążeń działających na zaprojektowany system sond w trakcie wieloletniego użytkowania utrudnieniem jest to, że wiele ze wspomnianych czynników wpływających na obciążenia podlega ciągłym zmianom spowodowanym upływem czasu i przemianami gruntu wzdłuż linii odwiertu.
 Dla przykładu grunt względnie skały rzadko mają homogeniczną budowę wzdłuż całej linii odwiertu. Wykonanie odwiertu bez żłobień jest praktycznie niemożliwe. Prosty otwór wiertniczy bez jakichkolwiek najmniejszych zmian kierunku jest również tylko teorią i niemożliwy do wykonania w praktyce. Dodatkowym utrudnieniem jest to, że montaż sondy odbywa się wiele metrów pod powierzchnią ziemi w miejscu niewidocznym dla instalatorów. Tak samo praktycznie niemożliwe jest określenie poziomu obciążeń punktowych działających na sondy geotermalne, spowodowanych np. kamieniami wpychanymi do odwiertu lub przyrostem objętości gruntu przy zamarzaniu wykopu, ponieważ nie można zlokalizować obciążeń punktowych i sił działających na rurę. W związku z powyższym odpowiedzialny projektant nie powinien projektować w instalacji sond geotermalnych niskojakościowych systemów rur o niewielkiej odporności na obciążenia punktowe, zaprojektowanych na maksymalną temperaturę zaledwie 40°C i nie powinien liczyć na to, że podczas montażu i użytkowania nie wystąpią żadne nadzwyczajne obciążenia (punktowe, w postaci rys itd.). Należy a priori zastosować wygodny w montażu i sprawdzony system rur, którego wytrzymałość na obciążenia punktowe, propagację spękań i temperatury do 95°C została zbadana i potwierdzona w laboratorium badawczym lub w praktyce. Jest to ważne, ponieważ nawet jedno uszkodzenie sondy geotermalnej spowodowałoby nie tylko przerwanie pracy całej instalacji, ale także pociągnęłoby za sobą wysokie koszty (wykonanie nowego odwiertu, montaż nowej sondy), które znacznie przewyższają różnicę cenową między sondą o wysokim poziomie bezpieczeństwa i zwykłą sondą z polietylenu. Dodatkowo wszystkie sondy geotermalne układane w gruncie jako materiały budowlane wymagające nadzoru muszą być dopuszczone do użycia z określonym medium i przy określonym ciśnieniu roboczym przez właściwą krajową instytucję i podlegać bieżącej, zewnętrznej kontroli jakości.

Klasyfikacja pionowych sond geotermalnych odpornych na obciążenia punktowe
Systemy pełnościennych rur ciśnieniowych ze standardowego materiału PE100 według PN-EN 12201 / PN-EN 1555 oraz DIN 8074 / DIN 8075 sprawdziły się w ciągu kilkudziesięciu lat w instalacjach wodnych i gazowych. Jednak ze względu na powszechnie znaną ograniczoną odporność tego materiału na powolne powstawanie rys wymagają dla prawidłowego montażu zawsze podsypki piaskowej chroniącej rurę przed obciążeniami punktowymi. Z tego powodu systemy rur tego typu są stosowane do mało wymagających technik układania, np. konwencjonalnego układania w podsypce piaskowej w otwartych wykopach i tym samym stanowią produkty mniej wartościowe w segmencie systemów poliolefinowych rur ciśnieniowych. Początkowo tego typu systemy rurowe były stosowane do produkcji pionowych sond geotermalnych według VDI 4640. Najbardziej obciążonym elementem systemu jest głowica sondy, na którą długotrwale i w największym stopniu oddziałuje ciśnienie hydrostatyczne solanki, po tym jak przy montażu musiała przejść przez całą długość wykopu. Jednak szybko okazało się, że przy wprowadzaniu takich sond w wykop stale powstawały rysy i karby na rurach….
Dipl.-Ing. Guido Kania
REHAU AG+Co, Erlangen
Dipl. Ing. Daniel Gottschalk
REHAU AG+Co, Erlangen
Tłumaczenie:
Jakub Koczorowski
REHAU Sp z o.o

okładka globenergia 6-2011Image29