Chemia budowlana i pompy ciepła. Szczelne wypełnienie

zobacz artykuł w formie pdf   zobacz pdfa  zobacz pdfa 

Pompa ciepła to jedno z najtańszych źródeł energii, jakie możemy zainstalować w domu. Dzięki niej można czerpać energię z Ziemi. Oczywiście nie całkiem za darmo, bo do „napędu” pompy służy prąd, ale stosunek jego zużycia do uzyskanej energii cieplnej z Ziemi jest bardzo korzystny i w rezultacie koszt ogrzewania jest niższy niż przy tradycyjnych sposobach grzania. Proces wymiany ciepła zachodzi w kolektorach. Wyróżniamy kolektory poziome i  pionowe.

W przypadku poziomych kolektorów nie są wymagane trudne roboty geotechniczne, ale coś za coś. Niestety kilka setek metrów poziomego kolektora wymaga bardzo dużo miejsca, którego często brak. Dodatkowo terenu tego nie można swobodnie zagospodarować, co jest dodatkowym utrudnieniem na niewielkich działkach. W takich przypadkach najlepszymi rozwiązaniami są kolektory pionowe. W skrócie: wykonywany jest otwór, do którego wsadzana jest sonda, rura z niezamarzającym wypełnieniem, najczęściej glikolem, która służy do „transportu” ciepła Ziemi na powierzchnię. Następnie jest ono zamieniane na ciepło w domu. W przypadku odwiertów pionowych, których głębokość może sięgać nawet 300 m, powstaje pusta przestrzeń, którą należy wypełnić specjalnymi produktami. Produkty te muszą spełnić określone wymagania.

Wymagania
Podstawowe wymagania to:

* mieć odpowiednią przewodność termiczną; ponieważ wypełniający produkt będzie łączyć sondę z gruntem, wymagane jest, aby nie był izolatorem, a dobrym przewodnikiem ciepła. Mówi się tu o λ > 1 [W/(m *K)], a najlepiej, aby parametr ten sięgał aż 2 [W/(m *K)],
* być elastycznym i dobrze przyczepnym do skał; elastyczność związana jest z tym, żeby mógł przenieść naprężenia od ruchów podłoża i nie przenosić ich na sondę,
* mieć odpowiednie właściwości tiksotropowe; produkt taki musi po wypełnieniu otworu szybko zastygnąć,
* najlepiej aby nie posiadał skurczu; skurcz wywołuje pęknięcie w wiązanym materiale, pęknięcie to pustka powietrzna, a więc gorsza przewodność cieplna; powietrze ma kilkudziesięciokrotnie gorszą przewodność niż powyższe wymagania dla materiału wypełniającego; l powietrza to ok. 0,025 [W/(m *K)]. Dodatkowo należy zauważyć, że pęknięcia, skurcze to możliwość osiadania materiału wypełniającego,
* być przyjaznym dla środowiska. Nie mogą być stosowane materiały agresywne, które powodują zanieczyszczenie wód gruntowych.  To bardzo istotna właściwość, ponieważ podczas wiercenia bardzo często przewierca się warstwy wodonośne, a tych nie można zanieczyścić,
* mieć bardzo niską przepuszczalność wodną, dzięki czemu będzie uszczelniaczem, nie będzie przez niego przenikać woda między warstwami wodonośnymi,
* być mrozoodpornym!

Wytyczne – brak!
Należy zauważyć, że w Polsce nie dorobiliśmy się jeszcze normatywnych wymagań do tego typu materiałów. Na razie możemy posługiwać się, jak to często bywa w budownictwie, wytycznymi niemieckimi zarówno przy doborze materiału, jak i przy technologii wypełniania otworu. Wytyczne to VDI 4640 niemieckiego stowarzyszenia inżynierów. Niestety problem braku określonych polskich wymagań dotyczy nie tylko wierceń, ale także wielu innych dziedzin budownictwa, np. renowacji zabytków.

Bentonit
Jeśli chodzi o materiały wypełniające, to najczęściej przychodzi nam na myśl bentonit. Bentonit, pomimo podobnej nazwy, to nie beton. Beton wiadomo – mieszanina cementu, kruszyw oraz dodatków wiążąca pod wpływem wody.
Bentonit jest to natomiast skała zbudowana z materiałów ilastych, która zawiera nie mniej niż 75% montmorillonitu. W przypadku mniejszej zawartości montmorillonitu nazywana jest iłami bentonitowymi. Nazwę swą wzięła od Fortu Benton w stanie Wyoming, gdzie pierwszy raz zaczęto eksploatować taki surowiec.
Dlatego też bentonity o parametrach podobnych do pierwowzoru nazywane są klasy Wyoming.
Charakterystyczną cechą bentonitu jest zdolność do pochłaniania wody i tworzenie roztworów koloidalnych, dzięki czemu ma bardzo dobrą płynność oraz zdolności tiksotropowe. Niestety po zakończeniu procesu wlewania do otworu wiertniczego może ulegać on z czasem wysuszeniu. Proces wysuszenia powoduje duży jego skurcz (zmniejszenie objętości), a co za tym idzie – możliwość pęknięć. Pęknięcia powodują, że możemy mieć do czynienia ze zmniejszeniem stabilizacji otworu wiertniczego oraz ze zmniejszoną przewodnością cieplną (tym samym wydajność pompy cieplnej staje się mniejsza).

Sam bentonit nie wystarczy, bardzo często stosowane są odpowiednie dodatki, które dostosowują jego parametry do otaczającego środowiska. Regulacja jego gęstości mieszanki poprzez większy lub mniejszy dodatek wody wystarczy przy gruntach niespoistych, takich jak piaski, żwiry. W przypadku gruntów spoistych potrzebne są jeszcze inne dodatki: inhibitory, zmniejszające pęcznienie tych gruntów w kontakcie z wodą. Dzięki temu, oprócz stabilizacji otworu, uzyskujemy także zmniejszenie oblepiania skałami płuczki, zmniejsza się też moment obrotowy przy wyciąganiu płuczki, a to wpływa na szybkość i komfort pracy.

Na rynku możemy spotkać gotowe mieszanki na bazie bentonitu, które posiadają już odpowiednie właściwości użytkowe.  Najczęściej są to mieszanki bentonitu i odpowiednich polimerów, inhibitorów, dzięki czemu można go stosować nie tylko w gruntach takich jak piaski, żwiry, ale także w gruntach spoistych.

Innymi materiałami stosownymi jako dodatek do zaczynów bentonitowych są specjalne uszczelniacze pęczniejące pod wpływem tegoż zaczynu. Najczęściej są one produkowane na bazie bentonitu, zwiększają swoją objętość, 3-4-krotnie wypełniając przestrzeń i doszczelniając ją.

Co poza tym?
Inne produkty, które właściwie tylko ocierają się o chemię budowlaną, to kruszywa – żwir, który także często dodaje się bentonitu. Żwir jest dobrym przewodnikiem ciepła, a jednocześnie zmniejsza skurcz powstałej mieszanki.

Nie tylko bentonit i dodatki, ale także materiały na bazie cementu wykorzystuje się do wypełnienia otworów wiertniczych. Na forach internetowych funkcjonują jako termocementy. Są to specjalne mieszaniny cementu i wypełniaczy, wiążące bez skurczu. Są to gotowe mieszanki do wymieszania z wodą w odpowiedniej proporcji. W składzie tego typu materiałów są także iły, czyli jedna ze składowych bentonitu, które mają duży wpływ na odpowiednią szczelność i elastyczność powstałego wypełnienia. Według materiałów informacyjnych mają większą przewodność cieplną niż bentonity, przez co wydatnie wpływają na sprawność pompy cieplnej. Ich λ zbliżona jest do 1 [W/(m *K)].

Warunki gruntowo-wodne nigdy nie są takie same, dlatego też w przypadku doboru odpowiednich składów mieszanek należy zaufać doświadczeniu wykonawcy, którego nie nabędzie się na jednej budowie czy też czytając kilka artykułów na ten temat. To od doświadczenia w dużej mierze zależy, czy pompa ciepła będzie mieć odpowiednią wydajność, czy nie – czy będą tworzyć się pustki powietrzne między sondą a gruntem, czy nie będzie tworzenia się pęcherzy powietrznych.

Bartosz Polaczyk

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