Dolne źródło dla gruntowych pomp ciepła (1). Płuca instalacji

zobacz artykuł w formie pdf zobacz pdfa   zobacz pdfa      

Aktualnie stosuje się w geotermii prawie wyłącznie obiegi zamknięte („closed loop installation”). Mieszanka wodno-glikolowa przejmuje tutaj funkcję nośnika ciepła. Najczęściej montuje się sondy pojedyncze lub podwójne U na głębokości do 100 m. Ze względu na wzrost temperatury gruntu wraz ze wzrostem głębokości i związaną z tym możliwą większą wydajnością grzewczą obserwujemy tendencję do stosowania coraz dłuższych sond geotermalnych. Znajduje to swoje zastosowanie szczególnie w termomodernizacji starego budownictwa, gdzie dostępna przestrzeń jest ograniczona ze względu na otaczającą zabudowę. Obecnie technicznie możliwy jest montaż na głębokości kilkuset metrów, jednak powoduje to znacznie wyższe wymagania w stosunku do materiału stosowanego do produkcji sond niż kiedyś.

Na znaczeniu zyskuje również stosowanie „chłodzenia geotermalnego” („free cooling”) oraz połączenie „ogrzewanie i chłodzenie geotermalne”. Nowoczesne systemy muszą być przygotowane również na szybką regenerację dolnego źródła ciepła, czyli gruntu, np. poprzez wykorzystanie nadwyżki ciepła pochodzącego z kolektorów słonecznych. Ponadto musi być zapewniona niezawodność funkcjonowania przez kilkadziesiąt lat.

Projektant jest zobligowany – w zależności od metody wykonywania odwiertu, jego głębokości, warunków gruntowych oraz wymaganej ilości pozyskiwanego ciepła – wybrać najodpowiedniejszą i najbardziej ekonomiczną sondę geotermalną dla danej inwestycji. Decyzja o wyborze materiału jest utrudniona z powodu braków w aktualnych standardach jakości oraz obowiązujących przepisach dotyczących badania sond geotermalnych oraz różniących się i częściowo niejasnych wypowiedzi w zakresie wytycznych montażowych i instrukcji do sond geotermalnych.

Odpowiedź na pytanie, która generacja materiałów do produkcji sond geotermalnych będzie dla danej inwestycji najkorzystniejsza, znajduje się w dalszej części niniejszego opracowania i powstała w oparciu o raporty z badań laboratoryjnych i praktycznych, i tym samym stanowi przewodnik dla projektanta, wykonawcy odwiertu i użytkownika przy podejmowaniu decyzji o wyborze materiału.

Nowoczesne materiały
Nieustanny rozwój tworzyw poliolefinowych stosowanych do produkcji sond umożliwia obecnie wytwarzanie coraz bardziej wydajnych i bezpiecznych sond geotermalnych.

Poziom obciążeń, jakie konkretnie oddziałują na geotermalny system rur ciśnieniowych w gruncie podczas układania oraz w trakcie wieloletniego użytkowania, może być różny w zależności od wybranej metody montażu, warunków otaczającego gruntu, obecności stagnującej wody gruntowej, wybranej głębokości odwiertu, materiału wypełniającego oraz opcji „ogrzewania” lub „chłodzenia”. W każdym przypadku musi być zapewnione prawidłowe funkcjonowanie instalacji geotermalnej przez cały okres użytkowania. W przypadku nowoczesnych systemów sond geotermalnych, przy standardowej temperaturze i ciśnieniu roboczym okres użytkowania powinien wynosić co najmniej 50, a najlepiej 100 lat.

Przy szacowaniu obciążeń działających na zaprojektowany system sond w trakcie wieloletniego użytkowania utrudnieniem jest to, że wiele ze wspomnianych czynników wpływających na obciążenia podlega ciągłym zmianom spowodowanym upływem czasu i przemianami gruntu wzdłuż linii odwiertu.

Dla przykładu grunt, względnie skały, rzadko mają homogeniczną budowę wzdłuż całej linii odwiertu. Wykonanie odwiertu bez żłobień jest praktycznie niemożliwe. Prosty otwór wiertniczy bez jakichkolwiek najmniejszych zmian kierunku jest również tylko teorią i niemożliwy jest do wykonania w praktyce. Dodatkowym utrudnieniem jest fakt, że montaż sondy odbywa się wiele metrów pod powierzchnią ziemi w miejscu niewidocznym dla instalatorów.

Tak samo praktycznie niemożliwe jest określenie poziomu obciążeń punktowych działających na sondy geotermalne, spowodowanych np. kamieniami wpychanymi do odwiertu lub przyrostem objętości gruntu przy zamarzaniu wykopu, ponieważ nie można zlokalizować obciążeń punktowych i sił działających na rurę.

W związku z powyższym odpowiedzialny projektant nie powinien projektować w instalacji sond geotermalnych niskojakościowych systemów rur o niewielkiej odporności na obciążenia punktowe, zaprojektowanych na maksymalną temperaturę zaledwie 40°C i nie powinien liczyć na to, że podczas montażu i użytkowania nie wystąpią żadne nadzwyczajne obciążenia (punktowe, w postaci rys itd.). Należy a priori zastosować wygodny w montażu i sprawdzony system rur, którego wytrzymałość na obciążenia punktowe, propagację spękań i temperatury do 95°C została zbadana i potwierdzona w laboratorium badawczym lub w praktyce. Jest to ważne, ponieważ nawet jedno uszkodzenie sondy geotermalnej spowodowałoby nie tylko przerwanie pracy całej instalacji, ale także pociągnęłoby za sobą wysokie koszty (wykonanie nowego odwiertu, montaż nowej sondy), które znacznie przewyższają różnicę cenową między sondą o wysokim poziomie bezpieczeństwa a zwykłą sondą z polietylenu.

Dodatkowo wszystkie sondy geotermalne układane w gruncie jako materiały budowlane wymagające nadzoru muszą być dopuszczone do użycia z określonym medium i przy określonym ciśnieniu roboczym przez właściwą krajową instytucję i podlegać bieżącej, zewnętrznej kontroli jakości.

Klasyfikacja pionowych sond
Systemy pełnościennych rur ciśnieniowych ze standardowego materiału PE100, według PN-EN 12201/PN-EN 1555 oraz DIN 8074/DIN 8075, sprawdziły się w ciągu kilkudziesięciu lat w instalacjach wodnych i gazowych. Jednak ze względu na powszechnie znaną ograniczoną odporność tego materiału na powolne powstawanie rys dla prawidłowego montażu wymagają zawsze podsypki piaskowej chroniącej rurę przed obciążeniami punktowymi. Z tego powodu systemy rur tego typu są stosowane jeszcze tylko do mało wymagających technik układania, np. konwencjonalnego układania w podsypce piaskowej w otwartych wykopach i tym samym stanowią produkty mniej wartościowe w segmencie systemów poliolefinowych rur ciśnieniowych.

Początkowo tego typu systemy rurowe były stosowane do produkcji pionowych sond geotermalnych według VDI 4640. W zasadzie najbardziej obciążonym elementem systemu jest akurat głowica sondy, na którą długotrwale i w największym stopniu oddziałuje ciśnienie hydrostatyczne solanki, po tym jak przy montażu musiała przejść przez całą długość wykopu. Jednak szybko okazało się, że przy wprowadzaniu takich sond w wykop stale powstawały rysy i karby na rurach.

Oprócz tego systemy sond wykonanych ze zwykłego tworzywa PE100 muszą być po montażu z każdej strony izolowane materiałem wypełniającym i chroniącym przed obciążeniami punktowymi. Jednak na podstawie doświadczeń wiadomo, że nie można na całej długości osiągnąć tego, że sonda jest umocowana centralnie w wykopie i że materiał wypełniający chroni rurę sondy z każdej strony przed obciążeniami punktowymi ze skał. Tym samym trzeba się liczyć z wystąpieniem stałych obciążeń punktowych działających na system przez kilkadziesiąt lat w bezpośrednim otoczeniu przewodu rurowego.

Powszechnie znane i wielokrotnie publikowane obliczenia FEM (metoda elementów skończonych) pokazują wyraźnie, że w przypadku rury ciśnieniowej w użytkowanej instalacji maksymalne naprężenie, które musi wytrzymać rura, występuje na wewnętrznej ściance rury. Wskutek tego rura obciążona w ten sposób, która nie jest dodatkowo chroniona, zostanie uszkodzona, począwszy od punktu występowania największego naprężenia w wyniku powolnego powstawania rys (slow crack growth, SCG). Mechanizmy uszkodzenia zostały dostatecznie zbadane, ustalono również metody badawcze do oceny jakości rur pod względem odporności na obciążenia punktowe.

Sondy geotermalne, na które oddziałuje jednocześnie ciśnienie wewnętrzne i zewnętrzne obciążenia punktowe, ulegają uszkodzeniu zazwyczaj po kilku latach działania obciążeń punktowych poprzez pęknięcie bez widocznych wygięć. Skutkiem tego jest wyciek z sondy geotermalnej solanki znajdującej się pod ciśnieniem. Obieg solanki jest zakłócony, a funkcjonowanie całej instalacji geotermalnej jest nieprawidłowe. W razie potrzeby w awaryjnym trybie pracy można przełączyć na jeszcze dostępne, działające obwody sond, o ile przewidziano odpowiednie zawory odcinające i jeśli są one dostępne szybko oraz bez wykonywania prac ziemnych.

Nieco bardziej odporne na tego typu mechanizmy uszkodzeń przez obciążenia punktowe są pionowe sondy geotermalne produkowane z PE szczególnie odpornego na powolne powstawanie rys (np. PE 100-RC „resistant to crack”), które najczęściej bazują na kopolimerach uzyskanych z heksenu.

Regulacje dotyczące tych systemów rur zostały pierwszy raz ujęte w PAS 1075 (Publicly Available Specification = Powszechnie Dostępna Specyfikacja) „Rury z polietylenu do niestandardowych technik układania – średnice, wymagania techniczne i kontrola”, jednak dodatkowo odpowiadają również wszystkim podstawowym wymaganiom zgodnie z DIN 8074/75 wzgl. PN-EN 12201 / PN-EN 1555 / PN-EN 13244 wzgl. VDI 4640.

W drugiej części kontynuować będę tematykę klasyfikacji pionowych sond geotermalnych odpornych na obciążenia punktowe.

Jakub Koczorowski

Fot. z archiwum REHAU.

Literatura:

1. J. Hessel, „Minimalna trwałość rur z polietylenu układanych w gruncie bez podsypki piaskowej”, część 2. „3R international” (2001), 40. Rocznik, zeszyt 6, s. 360-366. Vulkan-Verlag, D-Essen, Huyssenallee 52-56.

2. G. Kisselbach, „Warunki obciążeń i wymagań instalacji gazowych układanych w gruncie”, „3R international” 28 (1989), zeszyt 8, s. 541 – 547, Vulkan-Verlag, D-Essen, Huyssenallee 52-56.

3. G. Kisselbach, „Bezpieczeństwo i czas użytkowania instalacji rur ciśnieniowych z PE układanych w gruncie, część 1: uszkodzenie rur w przypadku obciążeń punktowych / podpierania punktowego”, „GWF Wasser. Abwasser” (2004), zeszyt nr 1, s. 43-51.

3. A. Helmreich, „Warstwy funkcjonalne – wartość dodana systemów zaopatrywania”. Suplement konferencji Wiesbadener Kunststoffrohrtage 2004, Wiesbaden 2004.

4. J. Hessel, „Procedura określenia czynnika bezpieczeństwa rur z polietylenu przy pełnym obciążeniu”, „3R international” (2005), 44. Rocznik, zeszyt 5, s. 277-283. Vulkan-Verlag, D-Essen, Huyssenallee 52-56.

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