Dolne źródło dla gruntowych pomp ciepła (2). Dobre usieciowanie

zobacz artykuł w formie pdf zobacz pdfa   zobacz pdfa  

Sondy geotermalne z PE 100-RC wg PAS 1075 muszą podlegać regularnej wewnętrznej i zewnętrznej kontroli jakości przez akredytowane laboratorium badawcze, które potwierdzi osiągnięcie minimalnego okresu użytkowania wynoszącego 100 lat także przy typowym spotykanym na budowie wypełnieniu wykopu i technice układania oraz mimo obciążeń punktowych działających na rurę.

Odporność na obciążenia punktowe
Użytkownik i projektant powinni jednak postępować szczególnie ostrożnie w przypadku sond geotermalnych, które wprawdzie są zachwalane jako „odporne na obciążenia punktowe” lub są produkowane z samodzielnie wybranych materiałów o nazwach niezastrzeżonych, jak np. „PE 100 VRC”, „PE 100 RC plus” itd. bez pisemnego poświadczenia przez akredytowane laboratorium jakości zgodnej z PAS 1075. W przypadku takich sond istnieje wątpliwość, czy dostarczona na budowę rura jest rzeczywiście wykonana ze 100% PE 100-RC zgodnie z PAS 1075. Brakuje, niestety, szybkiej metody badawczej dla użytkownika, dzięki której mógłby on prawidłowo ocenić użyteczność i jakość poszczególnych materiałów połączonych w rurze wielowarstwowej.
Procedury wymagane do oceny minimalnego okresu użytkowania wynoszącego 100 lat dla sond PE 100-RC oraz warunków budowlanych są ustalone i akredytowane. Szczególnie dobre okazały się metoda badawcza FNCT (test karbu), próba odporności na obciążenia punktowe i starzenie termiczne. Przy znanej zależności okazało się ponadto sensowne skrócenie czasów badania przy pierwszym badaniu i badaniu kontrolnym poprzez przyspieszoną procedurę badawczą.

W związku z tym szczególne znaczenie ma test żywotności ACT („accelerated creep test”). Dlatego opublikowany dokument PAS 1075 jest krokiem milowym w zapewnieniu jakości również tego typu pionowym sondom geotermalnym z tworzywa PE 100-RC, które wykraczają daleko poza poziom techniki niesieciowanych sond geotermalnych znanych dotychczas z VDI 4640.
Minimalnym wymaganiem dla jakości surowca takich systemów rurowych okazała się wartość ACT > 320 h (mierzona na granulacie każdej partii surowca), która w praktyce jest w pełni osiągalna. W bieżącej kontroli służącej zapewnieniu jakości rur o pełnej ściance produkowanych z tego materiału wartość ACT powinna być większa niż 160 h, mierzona na próbkach rury, przy częstości badania co najmniej raz w roku.
Standardowe testy sprzed kilkudziesięciu lat do oceny powolnego powstawania rys (np. FNCT) nie nadają się do zastosowania przy obecnych nowoczesnych materiałach PE 100-RC do oceny odporności na tworzenie rys naprężeniowych, ponieważ bez wyjątku jest otrzymywany wynik > 8760 h. Przy tak długich czasach badania, które nie były do przewidzenia w czasie, gdy powstawała ta metoda badawcza, w pierwszej kolejności sprawdzana jest odporność materiału na starzenie termiczne. Do tego poprzez zastosowanie odpowiednich środków trzeba zapewnić, że użyte środki pianotwórcze w trakcie badania nie ulegną rozkładowi poprzez utlenienie i tym samym nie przestaną działać. Z tego powodu również nie ma sensu przeprowadzać badań jakościowych, które wymagają np. FNCT > 8760 h do oceny odporności na rysy naprężeniowe materiału PE, przy znanej i potwierdzonej zależności w stosunku do procedury przyspieszonej (jak np. ACT).
Nawet jeśli sondy z PE 100-RC są bardziej odporne na obciążenia punktowe w porównaniu do sond z PE 100, w dalszym ciągu zarówno sondy PE 100-RC, jak również PE 100 mają tę samą wadę, którą jest bardzo ograniczona odporność na temperaturę. Przy temperaturze około 40°C właściwości tych rur ciśnieniowych gwałtownie się pogarszają. Ze względu na ograniczoną odporność termiczną do ok. 40°C nie jest możliwe magazynowanie energii geotermalnej i bezpieczne zasilanie instalacji sond z PE 100-RC lub PE 100 nadwyżką ciepła z kolektorów słonecznych.


Generacje tworzywa

Podczas gdy rozwój polietylenu niesieciowanego w ciągu kilkudziesięciu lat, począwszy od PE63 poprzez PE80, osiągnął swój punkt szczytowy przy aktualnej generacji tworzywa „PE 100-RC”, klasę premium w segmencie pionowych sond geotermalnych stanowi system sond z polietylenu sieciowanego PE-Xa wg PN-EN ISO 15875. Uznane wytyczne techniczne dotyczące testów wstępnych, aprobaty i zapewnienia jakości są dostępne dla nowego typu sond PE 100-RC w dokumencie PAS 1075 dopiero od czerwca 2009, natomiast norma PN-EN ISO 15875 istnieje już od wielu lat. Ponadto od kilkudziesięciu lat w milionach kilometrów rur ciśnieniowych z PE-Xa transportowane są w niezawodny sposób najważniejsze media takie jak gaz, woda i ścieki, przy czym instalacje często były układane w najtrudniejszych i najbardziej wymagających warunkach.
Uznawane za wyjątkowe właściwości polietylenu sieciowanego wysokociśnieniowo zostały opisane już przez jego wynalazcę Engla. Regularne sieciowanie długich cząsteczek polietylenu w stanie płynnym poprzez powstawanie mostków węglowych (mniej więcej co dwusetny atom węgla!) stanowi obecnie uznany i najlepszy mechanizm stosowany przeciwko powolnemu i szybkiemu powstawaniu rys w polietylenie. W porównaniu z bimodalnym PE 100 i PE 100-RC – w przypadku PE-Xa wymagana jest nieporównywalnie większa energia aktywacji (aby rozerwać mostek węglowy) niż tylko do rozpadu cząsteczki polietylenu niesieciowanego. Z tego powodu systemy z PE-Xa wykazują najwyższy poziom bezpieczeństwa i odporności na powolne i szybkie powstawanie rys nawet przy wysokich temperaturach roboczych.
Dla użytkownika i projektanta zrozumiałe i jednoznaczne przyzwolenie na zastosowanie systemów rur o wysokiej jakości z PE-Xa przy układaniu w najtrudniejszych warunkach znajduje się już od 2004 roku w obowiązujących przepisach montażowych. Na przykład w GW 323 z czerwca 2004 r. podaje się jako istotne wytyczne do bezwykopowej renowacji instalacji gazowych i wodnych metodą berstlinigu: „W przypadku rur PE-Xa nie jest wymagana dodatkowa zewnętrzna ochrona rury ze względu na wysoki stopień usieciowania i gęstości materiału” [Pkt. 4.4.2.1. Minimalne wymagania (dla materiału rury)].
Wysoki poziom zadowolenia i bezpieczeństwa w praktycznym zastosowaniu systemu rur PE-Xa jest znany od wielu lat, jednak dotychczas brakowało odpowiedniej metody badawczej, która mogła pokazać przewagę jakości tworzywa PE-Xa nad niesieciowanymi tworzywami poliolefinowymi, takimi jak PE 100-RC.

Badanie
Dzięki metodzie ACT udało się wykonać porównawcze badanie próbek z PE-Xa i próbek z PE 100 i PE 100-RC, bez wchodzenia w zakres badania starzenia termicznego ze względu na bardzo długi czas badania > 8760 h. Wyniki z laboratorium badawczego potwierdzają wyróżniającą się jakość sieciowanych rur ciśnieniowych z PE-Xa o wysokiej czystości.
Wyniki badania porównawczego ACT pokazują, że obok znanej klasy PE100, która w badaniu ACT osiąga trwałość zaledwie 20 do około 100 h, materiały PE 100-RC w badaniu próbek wykonanych z granulatu osiągają najczęściej trwałość od 300 h do zaledwie 1900 h. Jeśli próbki pobiera się z ekstrudowanych rur, wówczas wyniki są najczęściej jeszcze niższe. W zależności od jakości wykonania wyniki badania ACT wynoszą od 165 h do około 700 h. Przy badaniu próbek z PE-Xa, które ze względu na skomplikowany proces produkcji tworzywa PE-Xa mogły być pozyskane tylko z ekstrudowanych rur, pęknięcie próbek następowało po 11 771 i 12 124 h w metodzie ACT. Tym samym w metodzie ACT tworzywo PE-Xa, w porównaniu z próbkami z PE 100-RC, ma trwałość 17-krotnie (!) dłuższą i tym samym wyższą jakość w długim okresie.
Potwierdzona w metodzie ACT najdłuższa trwałość tworzywa PE-Xa dowodzi bezpieczeństwa pod względem odporności na powolne i szybkie powstawanie rys przewyższającego nawet najlepsze obecnie znane materiały PE 100-RC. Jednocześnie mierzone parametry dodatkowo potwierdzają wysoką jakość oferowanych na rynku systemów z czystego PE-Xa pod względem odporności na obciążenia punktowe i starzenie termiczne.
Oprócz przekonujących wyników badań materiałowych wielu użytkowników ceni wysoką elastyczność wytrzymałych sond geotermalnych PE-Xa wynikającą z niewielkiego stopnia krystaliczności PE-Xa. Systemy z PE 100-RC są bardziej sztywne niż z PE100, przez co szczególnie przy niskich temperaturach układania wymagają użycia dużej siły do rozwijania zwoju, wprowadzenia w wykop lub do wykonania połączenia zgrzewanego. Elastyczne i wytrzymałe systemy rur z PE-Xa przekonują wykonawców przede wszystkim łatwą obsługą na budowie i bardzo małymi promieniami gięcia.
Tylko duża elastyczność tworzywa PE-Xa umożliwia zgięcie sondy pionowej w najbardziej obciążonym pod względem wytrzymałości miejscu, tj. przy głowicy sondy i pozwala tam, w miejscu oddziaływania najwyższego ciśnienia hydrostatycznego, zamontować w całości sondę o optymalnych właściwościach hydraulicznych bez żadnych połączeń spawanych.
Ze względu na usieciowanie łańcuchów cząsteczkowych dobre właściwości ciśnieniowe systemów rur z PE-Xa są utrzymane także przy wysokich temperaturach. Umożliwia to wprowadzenie bezpośrednio w sondę pionową nadwyżkowego ciepła uzyskanego latem z kolektorów słonecznych w celu regeneracji gruntu przy temperaturze na zasilaniu nawet do 95°C. Sondy PE-Xa mogą zatem służyć do magazynowania energii geotermalnej i stanowią tym samym przyszłościowe, efektywne energetycznie rozwiązanie.
Z tego powodu sprawdzone w ciągu wielu lat sondy pionowe PE-Xa z polietylenu sieciowanego w dalszym ciągu tworzą klasę premium sond pionowych odpornych na obciążenia punktowe i, mimo poprawy jakości rur z PE 100-RC, zajmują silną pozycję w segmencie najbezpieczniejszych sond geotermalnych.
Jakub Koczorowski

Wykres. Wyniki dla różnych materiałów rur w metodzie ACT (arch. 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