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. (…)
wymPion1

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.


Cały artykuł w numerze 5/2013
2013 5 GLOBEnergia