Kwestia wypełnienia otworu wiertniczego w instalacjach sond pionowych jest jedną z bardziej kluczowych spraw dotyczących bezawaryjnego i efektywnego funkcjonowania dolnego źródła ciepła w układach gruntowych pomp ciepła.

   
Wypełnianie otworu wiertniczego
Coraz częściej stosuje się „chłodzenie geotermalne” („free cooling”) oraz połączenie „ogrzewania i chłodzenia geotermalnego”. Nowoczesne systemy muszą być przygotowane również na szybką regenerację dolnego źródła ciepła, czyli gruntu, np. poprzez wykorzystanie nadwyżki ciepła pochodzącego z kolektorów słonecznych. W powyższym aspekcie wypełnienie sond pionowych nabiera jeszcze większego znaczenia dla niezawodności funkcjonowania instalacji przez kilkadziesiąt lat.

Możliwe ryzyka, jakie mogą się pojawić przy braku lub niewystarczającej ilości materiału wypełniającego:

  osiadanie materiału wypełniającego poniżej górnej rzędnej terenu
  uciekanie materiału wypełniającego do warstw wodonośnych
•  przestrzenie powietrzne
  brak połączenia z gruntem
  rysy i pęknięcia na skutek kurczenia się materiału
Dobre połączenie sondy z gruntem daje nam przede wszystkim:
  obniżenie oporu termicznego otworu wiertniczego

  wzrost efektywności termicznej

Wypełnianie otworu wiertniczego należy przeprowadzić zgodnie z VDI 4640 cz. 2 tak, aby zapewnić trwałe, stabilne fizycznie i chemicznie połączenie sondy z otoczeniem skalnym. Fachowcy z branży pomp ciepła powołują się w tym zakresie na wytyczne niemieckiego stowarzyszenia inżynierów VDI, ponieważ w polskich regulacjach budowlanych niestety brakuje podobnych zapisów. Dlatego w umowie inwestora z firmą wykonawczą warto powołać się na zapisy tych wytycznych.

W wypełnieniu otworu sondy nie mogą znajdować się pęcherzyki powietrzne ani puste przestrzenie. W przypadku ich powstania będą one izolować przewód sondy pionowej, znacznie ograniczając efektywność wymiany ciepła pomiędzy czynnikiem roboczym (np. glikolem) a gruntem. Współczynnik przewodzenia ciepła dla powietrza (λ = 0,02 W/mK) jest kilkudziesięciokrotnie niższy niż dla dedykowanego materiału wypełniającego. Z tego względu należy dołożyć wszelkich starań, żeby uniknąć pustych przestrzeni w odwiercie z sondą. Wypełnienie otworu wiertniczego należy wykonać od głowicy sondy w górę otworu z wykorzystaniem rury wypełniającej. Wyłącznie należycie przeprowadzona aplikacja sondy i wypełnienie otworu zgodnie z VDI 4640 zapewnia odpowiednie funkcjonowanie szczególnie głębszych sond.

odwiertWarto zwrócić uwagę na stosowany przez firmę wiercącą materiał do wypełnienia przestrzeni otworu wiertniczego. Należy zweryfikować jego właściwości w zakresie następujących parametrów:

przewodność cieplna – współczynnik λ min. 1 W/mK, a najlepiej ok. 2 W/mK
brak szkodliwego wpływu na środowisko – przystosowanie do nieograniczonego stosowania w wodzie gruntowej oraz znikoma zawartość chromu zgodnie z dyrektywą UE 2003/53/WE,
brak kurczenia się w czasie poprzez proces oddawania wody – najlepiej znikomy lub całkowity brak zawartości bentonitu (bentonit w przypadku zbytniego wysuszenia ma właściwość kurczenia się i oddawania wody, co powoduje powstawanie pustych przestrzeni)
niski współczynnik przepuszczalności wody kf < 1×10–9 m/s – zapewnia dobry efekt uszczelnienia i szybkie twardnienie, również pomiędzy poszczególnymi warstwami wodonośnymi
właściwość tiksotropowa – gwarantuje szybkie krzepnięcie po iniekcji w otworze wiertniczym oraz brak roznoszenia materiału wypełniającego do wód gruntowych
mrozoodporność przy 10 cyklach zamrażania i odmrażania dla -15 0 C – zapewnia długotrwałe i całkowite związanie sondy z górotworem.
Zaleca się stosowanie wyłącznie dedykowanych materiałów wypełniających, które spełniają powyższe parametry.
Na wylocie wierconego otworu należy zwrócić uwagę na to, aby zawiesina miała wymaganą gęstość! Ważnym aspektem wykonawczym jest ponadto stosowanie dystansowników montowanych na przewodach sondy pionowej w odległościach min. co 2 m. Zadaniem dystansowników jest utrzymanie stałej odległości pomiędzy przewodami zasilania i powrotu sondy pionowej, tak żeby ustrzec instalację przed tzw. zwarciami termicznymi, czyli negatywnym przekazywaniem ciepła z przewodu zasilania pompy ciepła do przewodu powrotu. Spełniają one również rolę ułatwiającą wprowadzenie dodatkowej rury do iniekcji materiału wypełniającego.

Musimy zatem pamiętać o tym, że tylko kompletny system sonda / materiał wypełniający / górotwór ma odpowiednio wysoki współczynnik przewodzenia ciepła dzięki trwałemu i całkowitemu związaniu sondy z górotworem, czego potwierdzeniem jest zmierzony na drodze testów parametr – opór termiczny otworu wiertniczego < 0,09 mK/W. Dodatkowo przed odbiorem całej instalacji i jej uruchomieniem należy przeprowadzić próbę szczelności, np. zgodnie z PN-EN 805. Należy również sprawdzić, czy we wszystkich sondach odbywa się równomierny przepływ i sporządzić protokół z próby szczelności.

Jakub Koczorowski
Manager Grupy Produktów Odnawialne Źródła Energii
REHAU