Czy głębokość dolnego źródła ma znaczenie? Gruntowe wymienniki ciepła pod lupą

• Instalowanie w odwiertach geotermalnych sond pionowych to kluczowy element efektywnego odbioru i przekazywania energii geotermalnej do pompy ciepła.
• Głębsze wymienniki gruntowe zapewniają stabilniejsze parametry cieplne oraz wyższą sprawność systemu.
• Właściwości termiczne gruntu oraz jakość materiałów użytych do wypełnienia odwiertu bezpośrednio wpływają na jakość oraz niezawodność pracy instalacji.

Michał Szczytowski z firmy MuoviTech, podczas Forum Branżowego redakcji GLOBENERGIA, zwracał uwagę, że kluczowy element instalacji – pionowa sonda zainstalowana w odwiercie – jest często elementem niedocenianym. To błąd, ponieważ dobrze zaprojektowana instalacja  dolnego źródła ciepła umożliwia najbardziej efektywny odbiór energii geotermalnej, poprzez minimalizowanie strat i poprawę transferu energii przekazywanej do pompy ciepła.

Przykładem może być ostatnia flagowa realizacja firmy MuoviTech, w której wykonano 54 pionowe wymienniki ciepła, każdy o głębokości 300 metrów. Wymienniki zostały wykonane pod płytą fundamentową budynku. Sumując, wykonano układ o długości około 18 kilometrów podziemnej instalacji gruntowej. Tak rozległe i głębokie instalacje stają się coraz bardziej powszechne – zarówno pod względem liczby odwiertów, jak również  ich głębokości.

“Powstają coraz głębsze wymienniki, bo jeszcze kilkanaście lat temu polskim standardem były maksymalnie stumetrowe otworowe wymienniki ciepła, natomiast teraz już firmy wiertnicze w Polsce [...] schodzą nawet na głębokość trzystu metrów. Dzięki temu uzyskują wyższe temperatury  pozyskanej energii geotermalnej, a co za tym idzie lepszą sprawność systemów” – mówił w trakcie Forum Branżowego Michał Szczytowski z firmy MuoviTech.

Pogłębienie odwiertów pozwala na uzyskanie bardziej stabilnych parametrów cieplnych, co przekłada się na efektywność, wyższą sprawność sezonową i polepszenie parametrów pracy pompy ciepła.

Efektywność pracy dolnych źródeł ciepła w dużej mierze zależy również od warunków gruntowych. Każdy odwiert to w rzeczywistości złożony system, w którym kluczową rolę odgrywa kilka elementów: nośnik energii w postaci płynu niezamarzającego, materiał wypełniający odwiert, rury sondy pionowej oraz sam górotwór, czyli warstwy skalne i gruntowe, przez które przeprowadzona jest instalacja. To właśnie właściwości termiczne gruntu decydują o tym, ile energii można z niego odebrać.

Przewodność cieplna gruntu i opór termiczny – dlaczego są tak istotne?

Najważniejszym parametrem opisującym zdolność gruntu do przewodzenia ciepła jest λ (lambda) – przewodność cieplna. Im wyższa wartość λ, tym lepsze warunki do wymiany ciepła i tym wyższa będzie efektywność pracy całego systemu. 

Skały o zwartej strukturze, np. granity czy bazalty, cechują się wysoką przewodnością cieplną, co sprzyja wydajnej wymianie ciepła. Grunty luźne (piaski, żwiry) charakteryzują się niższą przewodnością. Istotnym czynnikiem jest także zawilgocenie – grunt nasycony wodą przewodzi ciepło znacznie efektywniej niż grunt suchy. Dlatego identyczne odwierty w różnych warunkach geologicznych mogą mieć zupełnie inną wydajność.

Drugim kluczowym parametrem jest opór termiczny wymiennika, który zależny jest między innymi od rodzaju i jakości materiału zastosowanego jako wypełnienie odwiertu. Stosując materiały o wysokiej przewodności cieplnej, można ograniczyć straty i poprawić transfer energii z górotworu do sondy. 

Kolejnym istotnym elementem jest hydraulika przepływu. Charakter przepływu czynnika roboczego w sondzie (laminarny vs. turbulentny) ma istotny wpływ na wymianę ciepła. Przepływ turbulentny zwiększa powierzchnię wymiany ciepła, poprawiając bilans całego układu.

Niewłaściwe zaprojektowanie instalacji, a przede wszystkim jej niedowymiarowanie, niesie za sobą poważne konsekwencje. Zbyt mała liczba odwiertów lub ich niewystarczająca ich głębokość może prowadzić do nadmiernego wychłodzenia gruntu. Skutkuje to stopniowym spadkiem temperatury otoczenia sond, obniżeniem współczynnika efektywności pompy ciepła oraz wzrostem kosztów eksploatacyjnych. W skrajnych przypadkach może dojść do przemarznięcia strefy wokół wymienników, co stanowi zagrożenie dla stabilności energetycznej i bezpieczeństwa instalacji.

Właśnie dlatego tak istotne jest rzetelne rozpoznanie warunków geologicznych i prawidłowe obliczenie zapotrzebowania cieplnego. Również właściwe dobranie głębokości i liczby odwiertów, biorąc pod uwagę wszystkie wymienione czynniki, stanowią podstawę do zapewnienia wieloletniej, stabilnej i ekonomicznej eksploatacji zaprojektowanego układu pompy ciepła gruntowej.