Przy doborze, projektowaniu i wykonaniu pionowych gruntowych wymienników ciepła pomijany jest bardzo często efekt bocznikowej wymiany ciepła (Thermal Shunt Effect).
Zjawisko polega na odbieraniu ciepło przez czynnik niskokrzepnący zatłaczany do odwiertu od czynnika już ogrzanego (przy pobieraniu ciepła z gruntu) lub też czynnik zatłaczany podgrzewa powracający schłodzony czynnik (przy oddawaniu ciepła do gruntu).
Najprostszą metodą ograniczenia tego zjawiska jest zwiększenie natężenia przepływu i zmniejszenie różnicy temperatur delta T, jednak wówczas następuje wzrost oporów przepływu, a tym samym zwiększa się zużycie energii elektrycznej napędzającej pompę obiegową dolnego źródła ciepła. Efektem tego jest spadek sprawności układu.
Dlatego, dla zachowania optymalnej pracy dolnego źródła ciepła i zniwelowania efektu bocznikowego, należy stosować dystansery przewodów sondy, zarówno w przypadku aplikacji pojedynczego, jak i podwójnego wymiennika. Pozytywny rezultat dla sond aplikowanych z wykorzystaniem dystanserów to m.in. spadek oporu termalnego odwiertu, czyli skuteczniejsza wymiana ciepła z górotworem. Zjawisko to zbadali J. Acuna i B.Palm [1]
Dla ośmiu różnych technik rozmieszczenia przewodów sondy w odwiercie wyznaczono wartości oporu cieplnego sondy zdefiniowanego przez G. Hellstroma [2] jako:
Rb = (Tf – Tbh)/q – dla przekazywania ciepła do gruntu
Rb = (Tbh – Tf)/q – dla odbierania ciepła od gruntu
gdzie:
R b – opór cieplny pionowej sondy w [(K•m)/W]
T f – średnia temperatura płynu pośredniczącego w [°K]
T bh – średnia temperatura ściany w [°K]
q – ilość ciepła pobrana/oddana do gruntu (…)
W praktyce sposobem na utrzymanie najkorzystniejszego sposobu rozmieszczenia rur sondy w odwiercie jest zastosowanie dystanserów. Tym bardziej, iż układ dolnego źródła ciepła coraz częściej wykorzystujemy nie tylko przy funkcji grzewczej pompy ciepła, lecz również podczas chłodzenia (aktywnego i pasywnego). A wówczas zmniejszenie oporu cieplnego odwiertu jest podstawowym wyzwaniem.
Źródła:
1. J. Acuna, B. Palm, Local Conduction Heat Transfer in U-pipe Borehole Heat Exchangers, Conference Milan 2009
2. G. Hellstrom, Ground Heat Storage Thermal Analysis of Duct Storage Systems Doctoral Thesis, Lund Institute of Technology, Lund, Sweden, 1991
Marcin Franke, Aspol FV Sp. z o.o. Stanisław Zbrojkiewicz, Pomiary TRT
Cały artykuł w numerze 2/2014
