Dolne źródła w pompach ciepła. Wymiana w gruncie

zobacz artykuł w wersji pdf  pdf  pdf 

Dolne źródło pełni fundamentalną rolę w instalacjach gruntowych pomp ciepła (typu solanka-woda), które są najbardziej popularnymi urządzeniami na rynku. W tym przypadku grunt stanowi dolne źródło, w którym to ciepło pochodzi głównie od promieniowania słonecznego i, w zdecydowanie mniejszym stopniu, od promieniowania cieplnego wnętrza Ziemi. Solanka oznacza medium robocze o obniżonej temperaturze zamarzania, które utożsamiane jest z wodnym roztworem glikolu.

Budowa gruntowego DŹ 
Instalacja dolnego źródła ciepła (DŹ) powinna być wykonana z materiału, który zapewni trwałość, wytrzymałość i szczelność. Wymagania te nabierają szczególnego znaczenia ze względu na fakt, iż instalacja powinna pracować co najmniej kilka dziesięcioleci, a ewentualne przecieki czy zaczopowania wyłączają układ z użycia (nie ma możliwości jego naprawienia). Jednym z najistotniejszych parametrów jest korozyjność, która jest związana z czynnikiem roboczym oraz materiałem wymiennika. W zastosowaniach gruntowych wymienników ciepła wykorzystuje się najczęściej roztwory glikolu propylenowego (ekologicznego płynu niskokrzepnącego, najlepiej w postaci chłodziw OAT), zaopatrzone w pełen pakiet inhibitorów, przeciwutleniaczy, stabilizatorów oraz dodatków przeciwpiennych. Zastosowanie odpowiedniego czynnika gwarantuje niekorozyjny charakter cieczy roboczej oraz efektywną pracę w zakresie temperatur 4 do 20oC w ciągu długiego okresu czasu. W roli wymienników ciepła – dolnego źródła sprawdzają się materiały niepodatne na oddziaływania chemiczne i mikrobiologiczne, wytrzymałe mechanicznie. Istotne jest również, aby był to materiał jednorodny (unika się sposobności wytworzenia ogniwa galwanicznego), bowiem dla systemów wielomateriałowych zjawisko korozji może być spotęgowane. Materiałem spełniającym powyższe cechy jest polietylen wysokiej gęstości – najlepiej HDPE 100. Pewność zapewnią wyroby bazujące na nowym granulacie (bez domieszek regranulatu). Łączenie elementów instalacji należy przeprowadzić za pomocą najpewniejszego i sprawdzonego połączenia nierozłącznego: zgrzewania kielichowego, elektrooporowego, które wykorzystuje zjawisko polifuzji termicznej.

System dolnego źródła składa się z elementów pełniących specyficzne funkcje w układzie DŹ:

  • układu do napełniania, odpowietrzania i zabezpieczenia ciśnieniowego,
  • elementów przepustowych,
  • rur dobiegowych,
  • rozdzielacza,
  • rur rozprowadzających,
  • wymienników (poziomych lub pionowych).

Funkcje elementów DŹ

  • Układ do napełniania, odpowietrzania i zabezpieczania ciśnieniowego – każda instalacja dolnego źródła musi być zaopatrzona w odpowiednie układy, które umożliwią napełnianie i uzupełnianie instalacji, ciągłe odpowietrzanie, usuwanie zanieczyszczeń stałych oraz zabezpieczenie przed wzrostem ciśnienia w układzie (w postaci naczynia przeponowego i zaworu bezpieczeństwa). Często są to oddzielne układy umieszczane w pomieszczeniu maszynowni, wykonywane przez instalatorów. Na rynku można spotkać również rozwiązania kompaktowe w postaci multibloku, które umożliwiają kompleksowe wykonywanie pomocniczych i zabezpieczających zadań.
  • Elementy przepustowe zapewniają szczelne, trwałe, termiczne i odporne na działanie gruntu i wody przejście. Spełnienie tych wszystkich warunków nie jest sprawą prostą. Tylko najlepsze rozwiązania na rynku są w stanie sprostać powyższym warunkom. Ciekawym rozwiązaniem jest rura współśrodkowa, między którą znajduje się ocieplenie (nie ma możliwości uszkodzenia lub nasiąknięcia wilgocią izolacji), a na wierzchu – materiał uszczelniający w postaci taśmy bentonitowo-kauczukowej (oddziałuje dynamicznie na zmianę wilgoci w przegrodzie).
  • Rury dobiegowe są to przewody łączące studnię kolektorową z pompą ciepła, odpowiednio większej średnicy w stosunku do elementów wymiennika.
  • Rozdzielacz ma za zadanie podzielić układ dolnego źródła na obiegi. Realizowane jest to w postaci dwóch belek (zasilającej i powrotnej), zaopatrzonych na każdym obiegu w rotametry i zawory. Rozdzielacze umieszczane są w szafkach lub studniach. Rodzaj obudowy rozdzielacza uzależniony jest od umiejscowienia (nad czy pod ziemią), co związane jest z etapem budowy i momentem podjęcia decyzji o zamontowaniu gruntowej pompy ciepła, wielkością dolnego źródła ciepła i preferencjami użytkownika/instalatora. Szafki stosuje się dla małych instalacji, które realizuje się razem z budową budynku. Mogą być umieszczane na zewnątrz, jak i wewnątrz budynku. Umieszczenie szafki wewnątrz budynku powoduje konieczność zastosowania większej ilości przejść pod budynkiem (w przypadku innych rozwiązań występuje tylko jedna para: przewód zasilający i powrotny). Dla większych instalacji oraz w przypadku budowy dolnego źródła ciepła „doklejonego do istniejącego budynku” stosuje się umieszczanie rozdzielacza w gruncie w tzw. studni kolektorowej. Rozdzielacze umieszczane są trwale w szafkach lub studniach kolektorowych i jako gotowe elementy, po stosownych próbach, przywożone są na plac budowy. Wyjścia sekcji kolektora umieszczone są parami (zasilenie, powrót). Wewnątrz układ hydrauliczny rozdzielacza kompensowany może być poprzez zastosowanie kolan. Dla studni zawory na rurach dobiegowych oraz sekcjach kolektora zapewniają odcięcie każdego obiegu indywidualnie.

Rotametry umieszczone na powrocie DŹ (cieplejszy czynnik) zapewniają ciągły, bezpośredni odczyt, całkowite odcięcie oraz regulację przepływającego czynnika.

Studnie kolektorowe charakteryzują się kompaktową obudową, odpowiednią wytrzymałością i relatywnie niską wagą. Istnieje możliwość posadowienia studni w warunkach podmokłych, jak i w pasie drogowym, dzięki dodatkowym systemowym elementom wyposażenia, takim jak: płyta odciążająca, właz żeliwny, nadstawka, kaptur uszczelniający, itp.). W największych studniach kolektorowych spotyka się podesty ułatwiające serwis.

Dolne źródła dla gruntowych pomp ciepła realizowane są w postaci wymienników poziomych i pionowych. Połączenie rozdzielacza z wymiennikiem następuje za pomocą rur rozprowadzających.

  • Rury rozprowadzające – rury łączące rozdzielacz z wymiennikiem gruntowym.
  • Wymienniki poziome umieszczane są poziomo w gruncie, poniżej strefy przymarzania (najczęściej na głębokości 1,2-1,7 m). Wymienniki umieszcza się na poziomym terenie, otwartym na oddziaływanie słońca i deszczu. W warstwie przypowierzchniowej istnieją dosyć duże wahania temperatury, które przyczyniają się do pozyskiwania zmiennego strumienia ciepła. W okresie zimowym (poniżej strefy przymarzania) temperatura kształtuje się na poziomie ok. 5oC (pod koniec sezonu schodzić może do -2oC). W okresie lata (wyższa temperatura i intensywna operacja słońca) górne warstwy gruntu ogrzewają się nawet do 16oC. W ten sposób zapewniona jest samoistna regeneracja wymiennika.

Wymienniki poziome realizowane mogą być w postaci:
– wymiennika meandrycznego,
– wymiennika spiralnego,
– wymiennika meandryczno-sekcyjnego.

Najbardziej popularne są wymienniki typu meandrycznego i spiralnego.

Wymiennik meandryczny jest klasycznym rozwiązaniem poziomego dolnego źródła ciepła. Składa się z układanej blisko siebie rury, która „meandruje” na końcach, tworząc układ wężownicy. Wykorzystanie tego typu wymiennika wiąże się z koniecznością zdjęcia całej masy ziemi znajdującej się nad wymiennikiem, co w praktyce oznacza przemieszczanie ogromnej masy ziemi (jedna z technologii układania). Rozwiązanie szczególnie często stosowane w Niemczech. W zależności od średnicy rury odległości między rurami wynoszą odpowiednio: 30 cm dla średnicy 25 mm do 1 m dla średnicy 40 mm.

Odmienne rozwiązanie stanowi układ spiralny. W tym przypadku nie ma konieczności ściągania całej masy ziemi. Wykonuje się wykop jedynie pod wymiennik, który mieści się w wykopie o szerokości 1 m i długości ok. 20 m. Poszczególne wymienniki znajdują się w odległości ok. 4 m od siebie. Wykorzystuje się rurę o średnicy 32 mm.

Wymienniki pionowe zapewniają bardziej stabilne uzyski ciepła ze względu na to, iż głębsze warstwy gruntu nie podlegają tak istotnym sezonowym wahaniom temperatury, a poniżej 10-18 metrów grunt posiada stałą temperaturę na poziomie średniorocznej temperatury powietrza na danym obszarze. Wykorzystanie tego typu wymiennika ma następujące korzyści: stabilne warunki pracy przez lata, potrzeba niewielkiej powierzchni działki. Wadą jest stosunkowo wysoka cena odwiertu.

Typ wymiennika scharakteryzowany jest przez średnicę rur i ich ilość. Najczęściej stosuje się rury o średnicach f 32 i 40 mm, w szczególnych przypadkach wykorzystać też można f 25 mm. W polskich realiach stosuje się sondy 2-rurowe i zdecydowanie rzadziej 4-rurowe. Elementem wymiennika pionowego, znajdującego się na jego dole, jest głowica. Spotkać można różne konstrukcje tego elementu. Rodzaj głowicy uzależniony jest w największym stopniu od osoby wykonującej odwiert i jej preferencji (sposobu wykonania odwiertu), a dopiero w kolejnym stopniu od rodzaju gruntu. Wyróżnia się: sondy u-kształtne z i bez obciążnika, z komorą osadnikową z elementem osłonowym, z obciążnikiem, z rurą przelotową dla płuczki, ze wzmocnieniem  dla rury popychającej itd.

dr inż. Krystian Kurowski

Prenumerata Magazynu Instalatora

Dodaj komentarz

Twój adres email nie zostanie opublikowany. Pola, których wypełnienie jest wymagane, są oznaczone symbolem *

Ta strona korzysta z ciasteczek (cookies) Więcej informacji

Ustawienia plików cookie na tej stronie są włączone na "zezwalaj na pliki cookie", aby umożliwić najlepszy z możliwych sposób przeglądania. Jeśli w dalszym ciągu chcesz korzystać z tej strony, bez zmiany ustawienia plików cookie lub kliknięciu przycisku "Akceptuję", a następnie użytkownik wyraża zgodę na to.

Zamknij