Podziel się
W ramach rozwoju branży pomp ciepła w kraju przyspieszeniu ulega potrzeba usystematyzowania wiedzy na temat dolnego źródła ciepła. Bliższe poznanie czynników decydujących o optymalnej pracy gruntowej pompy ciepła zmusza do skoncentrowania szczególnej uwagi na kwestii wymiennika pionowego.
Coraz popularniejsze stosowanie sond i ogólna dostępność usług wiertniczych może być zarówno impulsem do umacniania rynku, jak również, w przypadku obniżania standardów, przyczyną rozlicznych problemów.
Czynniki decydujące o optymalnej pracy wymiennika pionowego Prawidłowe wykonanie dolnego źródła ciepła powinno bazować na precyzyjnym projekcie instalacji i rozpoznaniu geologicznym. Do najistotniejszych elementów procesu należy zaliczyć między innymi:
• dokładne oszacowanie strumienia energii cieplnej gruntu
• optymalne rozmieszczenie sond przy jednoczesnym uwzględnieniu długości i odległości między wymiennikami
• prawidłowy dobór materiału sondy (np.: HDPE PE100 RC)
• właściwy dobór materiału do iniekcji przestrzeni pierścieniowej otworu montażowego – inaczej likwidacja otworu
• możliwość regulacji i zrównoważenia pracy pola wymienników pionowych – np. poprzez stosowanie studni kolektorowych wielosekcyjnych
• uwzględnienie uwarunkowań środowiskowych oraz prawnych
Szacowanie strumienia energii cieplnej gruntu – próba TRT Ilość przepływającego ciepła przy poborze energii z gruntu można wyrazić równaniem:
Q = k • A • ΔT
Innymi słowy należy przyjąć, że odbiór ciepła z gruntu przez sondę uzależniony jest od trzech zmiennych:
• współczynnika przenikania ciepła [k],
• powierzchni wymiany ciepła [A],
• różnicy [ΔT] między temperaturą płynu niskokrzepnącego (np. wodny roztwór glikolu propylenowego Henock 20P15 z inhibitorami korozji) a ośrodkiem przekazującym ciepło, czyli w omawianym przypadku gruntem. (…)
Optymalne rozmieszczenie sond
Źródłem ciepła dla układu wymienników pionowych jest grunt. Przy projektowaniu instalacji należy w sposób świadomy i rozważny podchodzić do kwestii geometrii rozmieszczenia sond tak, aby nie doprowadzić do nadmiernej eksploatacji dostępnych zasobów ciepła. Długość sond oraz ich liczba na-bierają szczególnego znaczenia, kiedy przedmiotem rozważań są instalacje dużych mocy (umownie 100 kW lub więcej). Dla przykładu można wykazać, że zmiana konfiguracji rozmieszczenia sond dla instalacji pompy ciepła o mocy ok. 100 kW pracującej w tych samych parametrach może istotnie wpłynąć na pracę układu dolnego źródła ciepła.
W sytuacji gdy niebezpiecznie zmniejszymy zalecany dystans między poszczególnymi wymiennikami (do badania przyjęto pole sond o długości H = 100 m oraz rozstaw między wymiennikami B = 5 m, B = 10 m oraz B = 30 m), temperatura gruntu (ok. 2200 h pracy pompy ciepła/rok) może spaść aż o 6–7 stopni. Obniżenie temperatury gruntu w tak dużej skali pozostaje oczywiście w negatywnej relacji z kosztami pracy instalacji pompy ciepła.
Z wykresu wyraźnie wynika, że zachowanie niewielkiej 5-metrowej odległości między poszczególnymi sondami obniża temperaturę gruntu bardziej niż zachowanie dystansu 10 lub 30 metrów. Wychłodzenie gruntu przybiera na mocy również wraz ze wzrostem liczby sond w danej konfiguracji.
Dla małych instalacji, takich jak budownictwo jednorodzinne, geometria rozmieszczenia sond traci na znaczeniu, choć wciąż nie należy bagatelizować istoty tego zagadnienia. W celu dokładnego oszacowania ilości ciepła, jakie możemy pobrać z gruntu, i prawidłowej konfiguracji instalacji, warto skorzystać ze wsparcia doświadczonych firm, jak również od nieść się do badań TRT. Metoda echa termalnego (z ang. Thermal Response Test) pozwala na precyzyjne określenie efektywności pracy wymiennika pionowego dolnego źródła ciepła, z uwzględnieniem konstrukcji sondy oraz zastosowanego materiału wypełniającego.
Prawidłowy dobór materiału sondy
Aplikacja sondy do otworu montażowego wraz z prawidłowym wypełnieniem odwiertu jest procesem złożonym, przy czym podczas całości prac sonda tworzywowa narażona jest na wiele ryzykownych czynników. Już sam transport na miejsce budowy, jak również składowanie w sąsiedztwie inwazyjnych prac ziemnych może przy odrobinie nieuwagi doprowadzić do powierzchownych uszkodzeń struktury przewodu rurowego. Następnie, podczas wprowadzania sondy do odwiertu narażana jest ona niejednokrotnie na zarysowania i uszkodzenia mogące wyniknąć z wielu czynników, a nie wszystkich z nich można skutecznie uniknąć. Przyczyn awarii może być wiele, w tym niezastosowanie przewidzianej projektem rury osłonowej, zbyt mała średnica otworu montażowego, nieskuteczne związanie ścian odwiertu na czas aplikacji, źle opracowany lub niedrożny otwór, zbyt duża dynamika aplikacji sondy, wypełnienie odwiertu niewłaściwym materiałem lub aplikacja sondy o zbyt małej klasie ciśnieniowej, jak również trudna do oszacowania dynamika górotworu i wód gruntowych. (…)
Materiał wypełniający (nie mylić z płuczką wiertniczą) powinien charakteryzować się następującymi właściwościami:
„Świeży” zaczyn
• dobra przetłaczalność (trzeba go podać rurą o średnicy ≈ 4 cm na głębokość ponad 100 metrów),
• brak segregacji (sedymentacja max 1–2%),
• odpowiedni czas urabialności,
• odpowiednia gęstość (umożliwiająca wyparcie płuczki z otworu) – w bezpiecznych granicach, z uwagi na ciśnienie hydrostatyczne słupa zaczynu na dnie otworu, który może zacisnąć rurki sondy,
• odpowiednia lepkość (zapobiegająca ucieczce w warstwy chłonne).
W trakcie wiązania:
• tiksotropia (po ustaniu tłoczenia – zapobieganie opadaniu cząstek stałych na dno otworu), • niskie ciepło twardnienia (materiały sond są mało odporne na wysokie temperatury).
Po związaniu:
• wysoka przewodność cieplna λ ≥ 2,0 W/m∙K (umożliwia zmniejszenie oporu termicznego otworu) – przykładowo: bentonit ≈ 0,8 W/m∙K, woda ≈ 0,6 W/m∙K,
• brak skurczu (to szczelny kontakt z sondą),
• niski współczynnik przepuszczalności k f (umożliwiający izolację horyzontów wodnych przewierconych w trakcie wykonywania otworu wiertniczego),
• odporność na agresywne oddziaływanie gruntu i wód gruntowych (nie uwzględnienie tego warunku może spowodować szybką korozję wypełnienia i otwór traci swoją szczelność),
• odporność na cykliczne zamrażanie i odmrażanie (zamrożenie strefy przyotworowej następuje wskutek zwiększonego odbioru ciepła – niewystarczająca zdolność regeneracji termicznej). Przy zastosowaniu standardowych (niemrozoodpornych) wypełnień następuje ich degradacja, co powoduje utratę przez nie wymaganych właściwości). (…)
Wnioski końcowe
Rzetelne zinwentaryzowanie dostępnych informacji na temat litologii gruntu (dla większych instalacji sugeruje się przeprowadzenie próby TRT), intensywności występowania oraz kierunku płynięcia wód podskórnych i gruntowych oraz zastosowanie prefabrykowanych wymienników dolnego źródła i profesjonalnych materiałów wypełniających otwór montażowy sondy pozwalają ze spokojem oczekiwać efektywnej i bezawaryjnej pracy instalacji.
Marcin Franke Aspol FV Sp. z o.o.
Krzysztof Szerszeń Górażdże Cement S.A.